MPLS协议原理与配置详解
多协议标签交换MPLS(Multiprotocol Label Switching )，MPLS在无连接的IP网络上引入面向连接的标签交换概念，将第三层路由技术和第二层交换技术相结合，充分发挥了IP路由的灵活性和二层交换的便捷性
MPLS并不是一种业务或者应用，它实际上是一种隧道技术。这种技术不仅支持多种高层协议与业务，而且在一定程度上可以保证信息传输的安全性
MPLS
-
MP：多协议
-
LS：标签交换(label switch)
应用场景
- 用于早期提高转发效率
- 用于MPLS VPN(二层或三层标签)
- 用于MPLS TE流量工程
- 用于解决路由黑洞：route recursive-lookup tunnel
MPLS是工作在“2.5”层的协议
- 在二层头部和IP头部之间插入MPLS头部(短而定长的4字节)
- MPLS头部可以插入多层，普通的MPLS插入一层头部，MPLS VPN插入2层MPLS头部
一、MPLS基本结构
1.MPLS域
能够进行标签转发的区域
2.MPLS 设备角色
LER(label edge router)：处于MPLS网络的边界设备，负责标签的压入push和弹出pop
LSR(label switch router)：处于MPLS网络的中间区域，负责标签的交换swap
3.LSP标签转发路径
到达同一目的地址的报文在mpls网络中经过的路径
数据转发过程中的LSP是单向的
LSP需要构建成功后才能进行标签转发
- 构建方式：静态、动态
LSP的建立过程时间就是将FEC和标签进行绑定
4.FEC转发等价类
-
具有相同转发处理方式的报文，在MPLS网络中，到达同一目的地址的所有报文就是一个FEC
-
MPLS中，一条FEC对应着一条路由
-
FEC的划分方式
- 以源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型或VPN等为划分依据
-
设备为FEC进行标签分配；设备对一条FEC完成标签分配后(FEC和标签绑定)，建立一条LSP
- 设备为FEC分发的标签作为入标签
- 设备收到FEC对应的标签作为出标签
- 标签值只具有本地意义（不同设备的标签分发是可以一致的）
5.数据流向
上游：数据源方向
下游：数据目的方向
ingress入节点：负责压入标签
transit中间节点：负责标签交换
egress出节点：负责弹出标签
标签分发是从下游往上游方向分发
标签动作
| 动作 | 解释 |
|---|---|
| push | 压入 |
| swap | 交换 |
| pop | 弹出 |
| null | 剥离标签，出空标签 |
二、MPLS体系结构
控制层面
负责生成和维护路由信息和标签信息
1.IP路由协议
- 产生路由信息
2.RIB路由信息表
- 存放路由信息
3.LDP标签分发协议
- Label Distribution Protocol
- 为FEC分发标签
4.LIB标签信息表
-
Label Information Base
-
由LDP生成，存放FEC和标签的映射关系，管理标签信息
数据层面
负责IP报文的转发和带MPLS标签报文的转发
从控制层面下发得到，形成最优表项，直接指导数据转发
1.FIB转发信息表
-
Forwarding Information Base
-
基于RIB生成，指导IP报文转发
-
判断数据是否需要标签转发
- tunnel ID为0x0：进行IP转发
- tunnel ID为非0x0：查看LFIB表，进行标签转发
-
2.LFIB标签转发信息表
-
Label Forwarding Information Base
-
基于LIB表和IP路由表生成，指导标签报文转发
-
由ILM表(入标签映射表)和NHLFE(下一跳标签转发表)构成
NHLFE表(下一跳转发表项)
-
内容
-
出接口
-
下一跳
-
出标签
-
-
查看方式
-
display tunnel-info tunnel-id xxx display mpls lsp include x.x.x.x 32 verbose
-
ILM表(入标签映射表)
-
内容
- 入标签
- 入接口
- tunnel ID(token)
- 标签操作类型
-
查看
-
display mpls lsp in-label xxxx verbose display mpls lsp
-
FIB表通过tunnel ID关联到LFIB表，ILM表通过tunnel ID关联到NHLFE表
3.转发方式
-
接收到IP数据包，查看目的地址对应的tunnel ID
- tunnel ID为0x0：进行IP转发
- tunnel ID为非0x0：查看LFIB表，进行标签转发
-
接收到带MPLS标签的数据包，直接查看LFIB表
- LFIB出标签为普通标签进行标签交换
- LFIB出标签为空标签查看FIB进行IP转发
三、MPLS的数据转发流程
当数据进入MPLS域时：
根据FIB表查找相对应的转发条目，转发条目中包含tunnel ID字段**
查看tunnel ID字段
- tunnel ID为0x0，进行IP转发
- tunnelID为非0x0，进行MPLS转发
查看二层头部信息中的TYPE字段
- type=0x0800表示上层为IP
- type=0x8847表示上层为MPLS
1.ingress的处理
查询FIB表和NHLFE表指导报文转发
-
查看FIB表，根据目的IP地址找到对应tunnel ID
-
display fib ##可以找到相关目的地的tunnel ID
-
-
根据tunnel ID找到对应的NHLFE表项，将FIB表项和NHLFE表项相关联起来(FTN)
-
##查看详细信息（出接口、下一跳、出标签） display tunnel-info tunnel-id 0x3 ##查看详细信息（出接口、下一跳、出标签，标签操作类型） display mpls lsp include 4.4.4.4 32 verbose
-
-
查看NHLFE表项得出接口、下一跳、出标签和标签操作类型
-
在IP报文中压入出标签、同时处理TTL，然后将封装好的MPLS报文从相应出接口发给下一跳
2.transit的处理
通过查询ILM和NHLFE表指导MPLS报文转发
-
根据MPLS的标签值查看对应的ILM表，可以得到tunnel ID。
-
display mpls lsp in-label 1025 verbose ##根据标签查找tunnel id
-
-
根据ILM表的tunnel ID找到对应的NHLFE表项
-
查看NHLFE表项，得出出接口、下一跳、出标签和标签操作类型
-
在IP报文中压入出标签、同时处理TTL，然后将封装好的MPLS报文从相应出接口发给下一跳
transit节点上MPLS对不同的label有不同的处理方式
- 如果label>=16，则用新标签替换替换旧标签，同时处理TTL，然后将替换完标签的报文发送给下一跳
- 如果label=3，直接弹出标签，同时处理TTL，然后进行IP转发或下一层标签转发(mpls 还有私网标签)
3.egress的处理
通过查询ILM表指导MPLS报文转发，或者查找IP路由表指导IP报文转发
- 如果egress节点收到IP报文，查看路由表，进行IP转发。(上游路由器有次末跳弹出3号标签)
- 如果egress节点收到MPLS报文，查看ILM表查看标签操作类型，同时处理TTL
- 如果标签中栈底标识S=1，表明该标签是栈底标签，直接进行IP转发
- 如果标签中的栈底标识S=0，表明还有下一层标签，继续进行下一层标签转发
NHLFE表项为什么存在下一跳？
正常情况下，根据出标签值和出接口即可完成数据转发
存在下一跳主要是为了完成二层头部 目的MAC地址封装
ILM表项为什么存在入接口？
正常情况下，根据入标签即可查找到对应的ILM表项
但是设备中的标签一般会有很多，添加入接口是为了加快标签的查找时间
tunnel ID的作用？
1.在ingress节点根据tunnel id判断是进行IP转发还是MPLS转发2.通过tunnel id查找NHLFE标签
3.标识隧道
四、MPLS的数据报文结构
标签：短而定长，4字节
MPLS报文(32bit)
内容：
1.label
-
标签值；20bit；范围：0-2^20
-
0—15：特殊标签、保留位
- 0：显示空标签
- 3：隐式空标签
-
16—1023：静态分配的标签
-
1024—2^20：动态分配的标签
路由器为FEC分发标签作为自身入标签，同一个设备为不同FEC分发的标签是不能相同的
路由器收到标签作为自身出标签，入标签和出标签可以相同的也可以不同
标签值只具有本地意义（不同设备的标签分发是可以一致的）
2.EXP
- 实验位；3bit；范围：0-7
- 表示数据优先级，用于QoS
3.S
- 栈底位；1bit
- 表示是否是最后一层标签
- S=1：表示是最后一层标签
- S=0：表示不是最后一层标签
4.TTL
- 生存时间；8bit；范围：0-255
- 用于MPLS数据防环
- 两种模式
- uniform统一模式(默认)
- 在入接点将IP报文TTL复制到MPLS报文的TTL中，在MPLS域中IP报文TTL不变
- MPLS报文在MPLS域内经过一台路由器MPLS报文TTL-1
- 最后在出节点将MPLS报文TTL重新复制回IP报文TTL
- pipe管道模式(隐藏MPLS域设备路径)
- 在入接点将IP报文TTL复制到MPLS报文的TTL中，在MPLS域中IP报文TTL不变
- MPLS报文在MPLS域内经过一台路由器MPLS报文TTL-1
- 最后在出节点，IP报文TTL-1
- uniform统一模式(默认)
管道模式下，报文将MPLS域看作一台设备，不会将MPLS报文TTL映射到IP报文TTL。报文经过MPLS域，无论MPLS域内有多少台设备，对于IP报文来说TTL只会减一。这样可以更好的隐藏MPLS域，保证安全性
mpls ##进入MPLS视图
entropy-label ttl-mode {uniform | pipe} ##修改模式为 统一/管道
防环
控制层面防环
- IGP防环
- LDP防环(默认不开启)
数据层面防环
依靠TTL防环
五、LSP建立
静态LSP、动态LSP两种建立方式
静态LSP
由用户通过手工建立的方式为FEC分发标签建立LSP隧道
优点：不需要交互控制报文，设备资源消耗比较小
缺点：配置麻烦、易出错；网络拓扑发送改变，无法动态感知，需要管理员调整
适用于拓扑结构简单，网络稳定场景
配置：
##配置底层路由协议
##全局视图下配置
mpls lsr-id 2.2.2.2 //配置该设备的LSR-ID(该地址需要路由可达)
mpls
##接口视图下配置
interface g0/0/1
mpls //接口激活MPLS，使得接口能够发送、接收MPLS报文
##入接点设备AR2配置
static-lsp ingress 4 destination 4.4.4.4 32 outgoing-interface g0/0/1 nexthop 23.1.1.3 out-label 1020
##传输结点AR3配置
static -lsp transit 4 incoming-interface g0/0/0 in-label 1020 outgoing-interface g0/0/1 nexthop 34.1.1.4 out-label 1021
##出节点设备AR4配置
static-lsp egress 4 incoming-interface g0/0/0 in-label 1021
检查命令
display mpls static-lsp
动态LSP
通过交互报文形式为FEC分配标签，并进行维护
优点：方便管理，可动态感知拓扑发生变化
缺点：交互报文，资源消耗大
有LDP协议、MP-BGP协议
- LDP标签分发协议，主要是为静态以及IGP协议路由分配标签(默认只是为32位的主机路由分发标签)
- MP-BGP多协议BGP，主要位BGP VPNv4路由分配标签(主要用于MPLS VPN)
LDP会话建立过程
LDP协议的配置
##1.底层IGP配置(ospf,static等)
##2.全局视图下配置
MPLS lsr-id x.x.x.x //配置该设备的LSR-ID
mpls //开启MPLS
mpls ldp //激活LDP协议
##3.接口视图下配置
interface g0/0/1
mpls
mpls ldp //是接口有自动分发的能力
检查命令
display mpls lsp //查看LSP
display mpls ldp
display mpls ldp session //查看邻居会话
1.LDP邻居发现
使用hello message报文
设备激活LDP后，互相发送hello message报文
- DIP为224.0.0.2发送
- 基于UDP，端口号646
- 报文携带LSR-ID和传输地址(transport address)，默认一致
- 发送间隔5s，15超时
- 报文内容
- LSR ID
- label space标签空间
- 0 基于平面标签分发：所有接口使用同一套标签值进行分发
- 1 基于接口标签分发：每个接口都存在一套独立的标签
- hold time超时时间：默认15s
- transport address传输地址：用来建立TCP连接
hello message报文主要用于对等体间的互相发现，互相学习传输地址，以便建立TCP连接
2.TCP连接
基于TCP，端口号646，保证标签传递时是可靠
传输地址大的作为主动端发起TCP连接
以hello报文协商的传输地址做连接
3.LDP会话建立
使用Initialization message报文和keepalive报文
1.由主动端先发出init报文进行参数协商
- init报文内容包含：LSR ID、标签空间ID，标签分发方式、PDU长度、keepalive的计时器
2.被动端收到init报文。如果协商成功发送keepalive报文确认+init报文进行参数协商；如果协商失败，发送notification报文终止会话
- keepalive的计时器：周期15S，超时45S
3.主动端收到init报文。如果协商成功发送keepalive报文确认，会话建立成功；如果协商失败，发送notification报文终止会话
keepalive报文
4.通告阶段
使用address message报文、label mapping message报文
用来请求、通告及撤销标签绑定
Address Withdraw message、Label request message、Label mapping message、Label withdraw message、Label release message、Label abort request message
相互发送address报文
- 用于给邻居设备生成表项的下一跳
相互发送maping message报文
- 用于给邻居发送FEC+标签的映射关系
六、MPLS标签管理
数据从上游(ingress)去往下游(egress)
标签的分发是下游设备向上游设备发布，下游设备将分配的标签作为入标签，上游设备将收到的标签作为出标签
1.标签发布方式
决定是否主动分发标签
DU方式
- 下游自主，下游不需要接收上游请求就可以主动向上游发送标签映射
- 优点：标签分配速度快
- 缺点：浪费内容存储部分无用标签
DOD方式
- 下游按需，下游需要收到上游请求(label request报文)才会主动向上游发送标签映射
- 优点：只针对有用路由进行标签请求，不会存在无用标签
- 缺点：分配速度较慢
修改
##两台设备都要配置
interface g0/0/0
mpls ldp advertisement dod ##修改接口标签分发方式为DOD
2.标签分配控制方式
决定LSP隧道是否有序建立
independent方式
- 独立方式，不需要收到下游分配的标签可以往上游分配标签
- 优点：LSP隧道建立速度快
- 缺点：可能造成LSP隧道断裂
order方式
- 有序方式，需要收到下游分配的标签才可以往上游分配标签
- FEC的出标签不为null才会向上游分配标签
- 优点：保证隧道的完整性
3.标签保持方式
Liberal方式
- 自由方式，会保存不是最优的标签
- 优点：存在备份标签，收敛速度快
conservation方式
- 保守方式，只保存最优的标签
- 优点：减少内存消耗
- 缺点：当最优标签链路断开。若存在备份链路，需要重新分配标签，收敛速度忙
案例场景：
R1、R2、R3、R4在同一MPLS域，R1上会收到3.3.3.3/32这条FEC的从两个方向(R2和R3)来的标签
1.如果是liberal方式，两个都保存，选择最优的作为主标签用于转发数据，另一个作为备份标签，当主标签链路断开，备份标签会浮现出来
2.如果是conservation方式，只保存一个最优的，1025或者1027
华为默认：DU+ordered+liberal
七、PHP次末跳弹出
隐式空标签
用于解决最后一跳设备负担大的问题
在数据发送给最后一跳路由器前提前弹出标签，使最后一跳路由器只查看一次FIB表，减少最后一条的负担
实现方式
- 最后一跳路由器为上游分发特殊3号标签
- 最后一跳路由器：一条FEC在MPLS中的egress节点
- 3号标签作为倒数第二跳的出标签
- 当转发MPLS数据包时，倒数第二跳发现出标签为特殊3号标签，提前弹出标签，在与最后一条路由器之间的链路上使用IP转发
0号标签
显示空白标签
最后一跳弹出
用于QoS，保证QoS在整个链路中不丢失
- MPLS报文中EXP位
实现：
- 最后一跳路由器为上游分发特殊0号标签
- 0号标签作为倒数第二跳的出标签
- 倒数第二跳LSR将值为0的标签正常压入标签值顶部，转发给最后一跳路由器，最后一跳路由器发现报文标签值为0，则标签弹出
0号标签和3号标签区别
| 0号标签 | 3号标签 | |
|---|---|---|
| 名称 | 显示空标签 | 隐式空标签 |
| 弹出设备 | 最后一跳弹出 | 次末跳弹出 |
| 备注 | 用于有配置QoS的mpls域 |
华为LDP协议默认情况下置位32位的主机路由分配标签
修改可以为不是32位的主机路由分配标签
mpls
lsp-trigger all