MPLS原理

传统IP路由转发

传统的IP转发采用的是逐条转发。数据报文经过每一台路由器，都要被解封装查看报文网络层信息，然后根据路由最长匹配原则查找路由表指导报文转发。各路由器从夫进行解封装查找路由表和再封装的过程，所以转发性能低。

传统IP路由转发的特点：

所有路由器需要知道全网的路由
IP头部不定长，处理效率低
传统IP转发时面向无连接的，无法提供较好的端到端QoS保证

MPLS基本概念

MPLS位于TCP/IP协议栈中的数据链路层和网络层中间，可以向所有网络层提供服务
通过在数据链路层和网络层之间增加额外的MPLS头部，基于MPLS头部实现数据快速转发

MPLS标签交换替代IP转发。标签是一个短而定长的，只具有本地意义的标识符

MPLS术语

MPLS域(MPLS Domain)：一系列连续的运行MPLS的网络设备构成了一个MPLS域

LSR(Label Switching Router，标签交换路由器)：支持MPLS的路由器(实际上也指支持MPLS的交换机或其他网络设备)

LER：位于MPLS域边缘，连接其他网络的LSR称为边沿路由器LER(Label Edge Router)

Core LSR：区域内部的LSR称为核心LSR

LSR分类：

入站LSR(Ingress LSR)：通常是向IP报文中压入MPLS头部并生成MPLS报文的LSR
中转LSR(Transit LSR)：通常是将MPLS报文进行例如标签置换操作，并将报文继续在MPLS域中转发的LSR
出站LSR(Egress LSR)：通常是将MPLS报文中MPLS头部移除，还原为IP报文的LSR

FEC(Forwarding Equivalence Class，转发等价类)：是一组具有某些共性的数据流的集合，这些数据流在转发过程中被网络节点以相同方式处理

在MPLS网络中，FEC可以通过多种方式划分，例如基于目的IP地址及网络掩码、DSCP等特征来划分
数据属于哪一个LSP，由数据进入MPLS域时的Ingress LSR决定
MPLS标签通常是与FEC相对应的，必须有某种机制使得网络中的LSR获得关于某FEC的标签信息

LSP(Label Switched Path，标签交换路径)：是标签报文穿越MPLS网络到达目的地所走的路径

一条LSP包含一台入站LSR、一台出站LSR以及数量可变的中转LSR，因此LSP也可以看做是这些LSR的有序集合
LSP需要在数据转发开始前建立完成，只有这样报文才能顺利穿越MPLS域
LSP可通过静态和动态两种方式建立

MPLS标签

IP报文进入MPLS域之前，会被入站LSR压入MPLS头部(又叫MPLS标签)，形成一个MPLS标签报文

报文字段解释：

标签(Label)：用于携带标签值，长度20bit
EXP(Experimental Use)：主要用于CoS(Class of Service)，长度3bit
S(Bottom of Stack)：栈底位，用于指示该标签头部是否为最后一层标签，长度1bit
- 该字段为1：表示当前标签头部为栈底
- 该字段为0：表示当前标签头部之后依然还有其他标签头部
TTL(Time To Live)：用于当网络出现环路时，防止标签报文被无限制转发，长度8bit

MPLS标签栈

MPLS支持一层或多层标签头部，这些标签头部的有序集合被称为标签栈(Label Stack)

当标签中存在多个标签时，这些标签的顺序是非常讲究的

最靠近二层头部的标签是栈顶标签，标签中的S字段为0
最靠近IP头部的标签是栈底标签，标签中的S字段为1

当上层为MPLS标签栈时，以太网头部中的Type字段为0x8847，PPP头部中的Protocol字段为0x8281

标签空间

标签是一个短而定长的、只具有本地意义的标识符。只具有本地意义说明每一台LSR之间的标签空间是相互独立的，即每台路由器都可以使用完整的标签空间

标签值	描述
0-15	特殊标签值。例如：0被定义为IPv4显示空标签(IPv4 Explicit NULL Label)，标签值3被定义为隐式空标签(Implicit NULL Label)
16-1023	用于静态LSP、静态CR-LSP的共享标签空间
1024-1048575	LDP、RSVP-TE、MP-BGP等动态信令协议的标签空间；动态信令协议的标签空间不是共享的，而是独立且连续的，互不影响

MPLS标签的处理

LSR对标签的操作类型：

标签压入(Push)：IP报文进入MPLS域时，MPLS边界设备在报文二层头部和IP头部之间插入一个新标签；MPLS中间设备也可根据需要，在标签栈顶增加一个新的标签

标签交换(Swap)：当报文在MPLS域内转发时，根据标签转发表，用下一跳分配的标签，替换MPLS报文的栈顶标签

标签弹出(Pop)：当报文离开MPLS域，将MPLS报文的标签去掉

MPLS转发

MPLS转发的本质就是将数据归到对应的FEC并按照提前建立好的LSP进行转发

对于整个MPLS域，LSP是某一给定的FEC进入域或离开域的路径，可以看成是LSR的有序集合
对于单台LSR，需要建立标签转发表，用标签来表示FEC，并绑定相应的标签处理和转发等行为

如图，因为有着相同的目的地，所以这三分数据属于同一个转发等价类FEC1。同时由于入站LSR不同，这些数据将分布在LSP1、LSP2和LSP3上被转发。因为标签仅具有本地意义，所以每台LSR上给同一FEC分配的标签可以相同，也可以不同。

同一个FEC，若进入MPLS域的Ingress LSR(入站LSR)不同，转发时的LSP也不相同
同一个FEC，LSR的处理方式相同，不论这个FEC来自哪里(进入设备的接口)
LSR的转发动作决定了LSP，而标签转发表确定转发动作，所以建立标签转发表也可以理解为建立LSP

MPLS体系结构

MPLS的体系结构由控制平面(Control Plane)和转发平面(Forwarding Plane)组成

控制平面
- 作用：负责产生和维护路由信息以及标签信息
- 控制平面包括：
  - 路由信息表RIB(Routing Information Base)：由IP路由协议、静态路由和直连路由共同生成，用于选择路由
  - 标签信息表LIB(Label Information Base)：用于管理标签信息，LIB中的表项可由标签交换协议(LDP、RSVP等协议)或静态配置生成
转发平面
- 作用：负责普通IP报文的转发以及MPLS标签报文的转发
- 转发平面包括：
  - 转发信息表FIB(Forwarding Information Base)：从RIB提取必要的路由信息生成，负责普通IP报文的转发
  - 标签转发信息表LFIB(Label Forwarding Information Base)：简称标签转发表，负责带MPLS标签报文的转发

控制平面与转发平面

LSP建立原则

当网络层协议为IP协议时，FEC所对应的路由必须存在于LSR的IP路由表中，否则该FEC的标签转发表项不生效
LSR用标签标识指定FEC，所以该FEC的数据被发送至LSR时，必须携带正确的标签，才能被LSR正确的处理

LSP建立方式

MPLS需要为报文事现分配好标签，建立一条LSP，才能进行报文转发

LSP分类

静态LSP
- 基本概念
  - 静态LSP是用户通过手工为各个FEC分配标签而建立的
  - 静态LSP不使用标签发布协议，不需要交互控制报文，因此消耗资源比较小
  - 通过静态方式建立的LSP不能根据网络拓扑变化动态调整，需要管理员干预
- 应用场景
  - 适用于拓扑机构简单并且稳定的小型网络
- 标签分配规则
  - 前一节点出标签的值等于下一个节点入标签的值
动态LSP
- 基本概念
  - 动态LSP通过标签发布协议动态建立
  - 标签发布协议是MPLS的控制协议(也可称为信令协议)，负责FEC的分类、标签的分发以及LSP的建立和维护等一系列操作
- 常用标签发布协议：标签分发协议(LDP)
  - 全称：Label Distribution Protocol
  - 定义：LDP是多协议标签交换MPLS的一种控制协议，负责转发等价类FEC的分类、标签的分配以及标签交换路径LSP的建立和维护等操作。LDP规定了标签分发过程中的各种消息以及相关处理过程
  - 应用场景：LDP广泛地应用在VPN服务上，具有组网、配置简单、支持基于路由动态建立LSP、支持大容量LSP等优点