hcnp-mpls
MPLS基础
mpls（多协议标签交换）其实是一种把三层路由信息映射为二层交换路径的交换方式。因为在mpls交换中，首先是基于IP路由表在通信路径上建立用于指导mpls报文转发的LSP（标签转发路径或MPLS隧道）。mpls其在无连接的IP网络上引入面向连接（邻居设备间必须先建立某种连接）的标签交换概念，将三层路由技术和二层交换技术结合。mpls起源于IPv4网络，但目前其核心技术可以通过扩展支持多种网络层协议（IPv6，IPX，CLNP）以及数据链路层协议（以太网，PPP，HDLC），这也就是‘多协议’的含义。
mpls与传统的IP路由方式相比，在数据转发时，MPLS只需要在网络边缘分析IP报头，而不用在每一跳都分析IP报头，节约了处理时间，提高了转发效率。
MPLS网络架构
mpls网络的典型结构如图1-1。
网络中各路由器称为LSR（Label Switching Router，标签交换路由器）。由这些LSR构成的网络区域称为MPLS域，其中位于MPLS域边缘，连接其他网络的LSR称为LER（Label Edge Router，边缘路由器），mpls域内的LSR称为核心LSR（Core LSR）。IP报文在MPLS网络中所经过的路径称为LSP（Label Swiched Path，标签交换路径）。一条LSP可以有0个，1个或者多个中间节点，但有且只有一个入节点和一个出节点。根据LSP的方向，MPLS报文由Ingress发往Egress，则ingress是transit的上游节点，transit是egress的上游节点。
LSP是单向的，要实现隧道两端所连接网络的互通，需要建立反方向的LSP。
mpls的基本工作过程如图1-2。首先mpls/ip骨干网中的设备会为隧道两端LER上链接的每个公网网段（称之为FEC，等价转发类）建立一条LSP，路径上每台设备都会为该LSP分配一个用于指导mpls报文转发的下一条和出接口相映射。使得mpls报文在骨干网中传输时可以直接依据各设备上为该报文所分配的mpls标签进行转发。但mpls标签不是固定不变的，随着报文的传输，每经过一个设备都要进行标签替换。本质上来讲，mpls报文在骨干网中的转发过程实质上就是mpls报文中mpls标签的逐跳交换的过程
当IP报文进入mpls域的LER时，首先根据其目的IP地址找到的是其对应的FIB（转发信息表）表项，如果其中的Tunnel ID值不为0，则表示要进行MPLS标签转发，若为0则表示采用IP路由转发。
MPLS标签
mpls标签是一个短而定长，只具有本地意义（无需全网唯一）的整数形式的数字标识符，用于唯一标识一个分组所属的分类即FEC。一个FEC中的分组数据在同一台设备上都以等价的方式进行处理，且被分配相同的MPLS标签。
MPLS中的FEC
mpls将具有相同特征的报文归为同一FEC，这个相同特征可以根据报文中的源/目的IP地址，源/目的端口，VPN实例，QoS策略等要素中的一个或多个进行划分，通常是根据目的IP地址基于IP路由表项进行划分。
在每台MPLS设备上，每个FEC与MPLS标签之间有一个映射关系，但针对同一FEC，不同设备上分配的标签可以相同，也可以不相同。
MPLS标签封装
在不同应用中MPLS标签嵌入的位置不完全相同，在大多数mpls应用中（BGP/MPLS IP VPN，各种VLL和PWE3），mpls设备从用户端设备接收数据帧后，会在原来数据帧中的二层协议头和三层协议头之间插入一个或多个mpls标签。
MPLS标签字段
无论使用哪种封装方式，一个MPLS标签占4个字节。
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| Label | 20比特 | 标签值字段，用来标识一个FEC。该字段的取值范围称为‘标签空间’ |
| EXP | 3比特 | 标识mpls报文的优先级，范围0-7，值越小优先级越低 |
| S | 1比特 | MPLS支持多重标签。值为1时表示为最底层标签。 |
| TTL | 8比特 | 和IP分组中的TTL意义相同，可以用来防止环路。 |
MPLS标签栈
如果MPLS报文中封装了多个MPLS标签(如既有LDP LSP标签，又有BGP LSP标签，MPLS CR-LSP标签或VC标签)，就形成了标签栈（label stack）。如下图所示是一个包含有两个MPLS标签的示意图，靠近二层帧头的标签称为栈顶MPLS标签或者外层MPLS标签，此时S位置0。
MPLS标签中‘Lable字段’的取值范围不同，标签的用途也不同
0-15：这是16个特殊标签，如下表
16-1023：这是专门分配给静态LSP和应用与MPLS TE中的静态CR-LSP共享的标签空间
1024及以上：这是分配给LDP，RSVP-TE及MP-BGP等动态信令协议所分配的标签空间。即动态分配的MPLS标签只能大于1024
MPLS体系结构
MPLS体系结构是由控制平面和转发平面（或者数据平面）两部分组成。
控制平面
用于控制协议报文的转发，其依靠IP路由和MPLS标签两方面来实现。MPLS骨干网中的LSR都是三层设备，需要依靠IP路由实现互通，而外部进入到MPLS骨干网的报文又要直接依靠MPLS进行转发，所以要控制IP报文和MPLS报文的转发就需要有产生，维护路由和标签信息的能力。这就是控制平面得分基本功能。控制平面包括3个子项
RIB（routing information base，路由信息表）：RIB由各种IP路由协议生成，用于进行路由选择。骨干网中MPLS标签的分发，LSP的建立仍要依据IP路由表，即先按照FIB（转发信息表）进行MPLS标签分发，建立对应的LSP，然后MPLS域中的设备才可以按照标签进行数据转发
LDP（标签分发协议）：是一种动态标签分发协议，负责MPLS标签的动态分发，LFIB（标签转发信息表）的建立，标签交换路径的建立，拆除等工作。
LIB（Label Information Base，标签信息表）：MPLS标签与IP路由中的RIB对应的就是LIB，由LDP生成，保存了每个标签与FEC的映射关系。LIB中包含：FEC网段，入标签，出标签，分发出标签的下游节点。
转发平面
转发平面用于指导报文的转发，即数据平面。包括IP报文和MPLS报文的转发。转发平面包括两个子项：
FIB（Forwarding Information Base，转发信息表）：用于指导IP报文的转发，是从RIB中提取得到的，仅提取当前有效的路由表项信息。当报文离开MPLS域时要按FIB进行转发。FIB中包含：，目的网段，出接口，下一跳IP地址，路由标记，路由优先级。
LFIB（Label Forwarding Information Base，标签转发信息表）：用于指导MPLS报文转发，从LIB中提取得到。LFIB包含：目的网段，出接口，下一跳，入标签，出标签。
LSP简介
静态LSP
静态LSP是通过手工方式为各个转发等价类分配标签而建立的，不需要标签分发协议的参与，也不需要IP路由参与（但此时仍需要在MPLS域内部署路由，以实现骨干网内各LSR的三层互通）。
在静态LSP配置中，对于MPLS域中不同节点所需配置的标签不一样：
入节点：只需配置出标签
中间节点：同时配置出标签和入标签
出节点：只需配置入标签
静态LSP不使用标签发布协议，不需要交互控制报文，资源消耗较少，适用于网络拓扑简单且稳定的小型网络。
动态LSP
动态LSP是通过标签发布协议（如：LDP，MP-BGP，RSVP-TE）动态建立的，但同时也需要IP路由参与。
LDP：最常用的标签分发协议，它依据IGP和BGP对应的IP路由信息以逐跳的方式建立LSP
MPLS基本工作原理
mpls技术基本工作原理主要涉及MPLS标签动作，MPLS报文转发流程，以及对MPLS报文中的TTL处理三个方面
MPLS标签动作
标签动作：压入（push），交换（swap），弹出（pop）。
push：可能会在Ingress或Transit节点上发生。
swap：会发生在Transit节点上。
pop：会发生在倒数第二跳Transit节点（比如PHP会在倒数第二跳弹出标签）或者Egress节点上。
MPLS报文转发涉及的基本概念
Tunnel ID：为了给使用隧道的上层应用（VPN，路由管理）提供统一接口，系统会自动为隧道分配一个ID（也可手动配置），称为Tunnel ID。该ID长度为32比特，只具有本地意义。
NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry，下一跳标签转发表项）：用于指导MPLS报文的转发，它包括：Tunnel ID，出接口，下一跳，出标签，标签操作类型。
FTN（FEC to NHLFE）：FEC与NHLFE的映射关系。它只存在于Ingress节点上。因为只有Ingres节点才需要用到FEC中的分类信息查找所需压入的出标签。
ILM（Incoming Label Map）：入标签与NHLFE的映射关系。ILM包含：Tunnel ID，入标签，入接口，标签操作类型。
当IP报文从Ingress节点进入MPLS域时，首先查看FIB表，检查目的IP地址对应的Tunnel ID值是否为0x0。如果是0x0，则进入正常的IP转发流程；否则进入MPLS转发流程
在MPLS转发过程中，FIB，ILM，NHLFE表项都是通过Tunnel ID关联的。
注意：在路由器当中可以通过dis mpls lsp verbose命令来查看ILM，NHLFE表项中的相关内容；实际上路由器中并无这两个表。
MPLS对TTL的处理
MPLS对TTL的处理包括对TTL的处理模式和ICMP响应报文这两个方面。
mpls对TTL的处理模式
MPLS标签中包含一个8比特的TTL字段，其含义与IP报头中的TTL字段相同，都是用于限制报文在传输过程中所经过得分二层设备数。
MPLS对TTL的处理模式：Uniform（统一）和Pipe（管道）。缺省情况下为Uniform。
Uniform模式：该模式下，针对IP报头中的TTL字段，最终在离开MPLS域时其值仍是减少了MPLS中所经过的跳数，只是在MPLS域内传输时，IP报头TTL字段的改变移植到了MPLS标签中的TTL字段，然后在离开MPLS域时再反向移植到IP报头的TTL字段。
Pipe模式：在该模式下，IP报头中的TTL字段会把所经过的MPLS网络的中间节点忽略，将其看作两端边缘节点通过一个管道的直连。也就是无论在MPLS网络中经过多少三层设备，从MPLS入节点到出节点之间，IP报头的TTL字段只减1。但此时MPLS标签的TTL为某一个值，且还会逐跳减1。
ICMP响应报文
在MPLS网络中，当LSR收到TTL为1（表示不能再向下传了）的含有标签的mpls报文时，会生成一个ICMP的TTL超时消息。LSR将TTL超时消息回应给报文发送者的方式有两种：
（1）如果LSR上存在到达报发送者的路由，则可以通过IP路由，直接向发送者回应TTL超时消息
（2）如果LSR上不存在到达报文发送者的路由，则ICMP响应报文将按照LSP继续传送，到达LSP出节点后，由Egress节点将该消息返回给发送者。
通常情况下，当收到的MPLS报文只带一层标签时，LSR可以采用第一种方式回应TTL超时消息，因为此时表明LSR是MPLS域的边缘节点LER，可直接通过IP路由传输响应报文。当收到的MPLS报文包含多层标签时，LSR会采用第二种方式回应TTL超时消息。
LSP连通性测试
传统IP网络中的Ping/Tracert无法在MPLS域内只是用，因为他们所使用的ICMP报文是基于IP路由转发的。此时就要利用MPLS Ping/Tracert。MPLS ping主要用于检查LSP的连通性。MPLS Tracert在检查LSP的连通性的同时，也会分析网络在什么地方发生故障。
