学习笔记——MPLS基础

1. 简介

MPLS（Multiprotocol Label Switching）多协议标签交换，其发挥IP路由灵活性的同事兼具二层交换的间接性，被广泛用于大规模网络中。

1.1 MPLS特点

• 在MPLS网络中，设备根据短而定长的标签转发报文，省去了查找IP路由表的过程，为数据在骨干网络中的传送提供了一种高速高效的方法。
• MPLS位于链路层和网络层中间，可以建立在链路层协议（如PPP, ATM, 帧中继, 以太网等）之上，为网络层（如IPv4, IPv6, IPX等）提供面向连接的服务。
• 支持多层标签，面向连接，使MPLS有良好的扩展性，在MPLS网络基础上提供服务。

2 MPLS术语

标签（Label）

标签是定长的标识，通常只具有局部意义

FEC

Forwarding Equivalence Class, 转发等价类。MPLS 讲具有相同特征（目的相同或具有相同服务等级等）的报文归为一类，称为FEC。

LSR

Label Switching Router, 标签交换路由器。具有标签分发能力和标签交换能力的设备

LSP

Label Switching Path, 同属一个FEC的报文在MPLS网络中经过的路径叫LSP。
· LSP是单向报文的转发路径
· 在一条LSP中，沿着数据方向，相邻的LSP分别为上游LSR和下游LSR。

LFIB

Label Forwarding Information Base, 标签转发信息库（表）。与IP网络中的FIB类似，在MPLS网络中LSR接收到报文后查找LFIB信息库，获取对应的标签操作类型、出标值、下一条等，以确定如何转发报文。

控制平面

Control Plane, 负责标签分配，FEC-标签映射的交换，标签转发表的建立，标签交换路径的建立和拆除。

转发平面

Forwarding Plane, 依据标签转发表对收到的报文进行转发。

3 MPLS报文头结构

MPLS报文头有32bit，其中：

1. 20bit 标签（Label），标识FEC
2. 3bit EXP，协议中没有明确表示，但通常用作CoS(服务类别）
3. 1bit 的栈底标识，表明这个标签是否为栈底，说明MPLS标签可以嵌套
4. 8bit 的TTL（生存时间）

Label	TC	S	TTL
20bits	3bits	1bits	8bits

4 MPLS网络结构

4.1 入节点（ Ingress）

报文入口LSR，负责为进入MPLS的报文添加标签。

4.2 中间节点（Transit）

MPLS网络内部LSR，根据标签沿着由一系列的LSR构成的LSP将报文送给出口LSR。

4.3 出节点（Egress）

报文出口LSR，负责剥离报文标签，并转发给目的网络。

5 建立LSP的方式

5.1 手工配置静态LSP

• 消耗资源少，但是不能动态调整
• 适用于拓扑结构简单且稳定的小型网络

5.2 利用标签分发协议（LDP）动态建立LSP

• 标签分发协议是MPLS的信令协议
• 负责划分EFC，通告FEC-标签的绑定，建立维护LSP等。

6. MPLS转发过程中的标签操作

• 压入（Push）
• 交换（Swap）
• 弹出（Pop）

7. MPLS转发过程

1. 在Ingress接受报文时，根据报文IP查找FIB 获得出标签（假设为X），下一跳LSR（假设为LSR2，属于Transit节点）和出接口,Ingress Push标签，并将报文转发给下一LSR。
2. LSR2根据标签X查找LFIB获取报文标签操作（Swap），出标签（假设为Y），下一跳LSR和出接口，节点将标签X替换为Y后，通过出接口将报文转发给下一LSR。
3. 当Egress收到报文，根据标签Y查找LFIB表获取操作（Pop），下一跳LSR和出接口，Egress删除标签，从相应出接口发出，如果没有记录下一跳和出接口，则查询FIB根据IP发出报文。

8. 倒数第二跳弹出(PHP)

Penultimate Hop Popping，倒数第二跳弹出。
在MPLS网络中，Egress节点接收到带标签的报文后，查找标签转发表，弹出标签后在进行下一层的标签转发或IP转发。也就是Egress节点在转发报文之前要查找两次表：两次LFIB或者一次LFIB一次FIB。
利用PHP（Penultimate Hop Popping,倒数第二次弹出）功能，在Egress的前一节点处将标签弹出，这样在Egress节点只需要查找一次转发表就能直接将报文转发出去。

• 减轻Egress的负担
• 提高MPLS网络对报文的处理能力
• 通过分配空标签实现

8.1 隐式空标签

隐式空标签取值为3，当一个LSR发现下游LSR他通告的标签为隐式空标签（LSR发现下一由LSR是Egress，Egress向上游通告标签值为3），则这个LSR不用值替换（Swap）原来的标签，而是直接将标签弹出，并将报文转发给下游LSR（即Egress）。Egress收到报文后，直接进行下一层转发处理。

8.2 显式空标签

显式空标签取值为0或者2（0用于IPv4网络，2用于IPv6网络）。在某些情况下，Egress需要根据签栈中的一些信息（例如TC，Traffic Class）进行QoS策略决定，显式空标签可以保留标签内容发送到Egress。当Egress收到报文时，检测到标签值为0或者2，Egress直接将标签弹出（Pop）而不去查表，再进行下一层转发处理。

9. 总结

MPLS是一种为了简化查找IP路由表，而使用标签功能指路，在报文进入Ingress时将具有相同FEC的报文压入（Push）标签，通告Transit，每个LSR通过查找LFIB，交换（Swap）标签后，将报文送入下一跳，使报文沿着LSP快速转发，使用PHP功能将标签（Label）在倒数第二跳弹出（Pop），最终到达Egress，再Egress中进行下一层转发处理。