MPLS基础

1.1  MPLS简介

MPLS（Multiprotocol Label Switching，多协议标签交换）是一种新兴的IP骨干网技术。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简捷性。

MPLS广泛应用于大规模网络中，它具有以下优点：

• 在MPLS网络中，设备根据短而定长的标签转发报文，省去了通过软件查找IP路由的繁琐过程，为数据在骨干网络中的传输提供了一种高速高效的方式。
• MPLS位于链路层和网络层之间，它可以建立在各种链路层协议（如PPP、ATM、帧中继、以太网等）之上，为各种网络层（IPv4、IPv6、IPX等）提供面向连接的服务，兼容现有各种主流网络技术。
• 支持多层标签和面向连接的特点，使得MPLS在VPN、流量工程、QoS等方面得到广泛应用。
• 具有良好的扩展性，在MPLS网络基础上可以为客户提供各种服务。

1.1.1  MPLS基本概念

1. 转发等价类

FEC（Forwarding Equivalence Class，转发等价类）是MPLS中的一个重要概念。MPLS是一种分类转发技术，它将具有相同特征（目的地相同或具有相同服务等级等）的报文归为一类，称为FEC。属于相同FEC的报文在MPLS网络中将获得完全相同的处理。目前设备只支持根据报文的网络层目的地址划分FEC。

2. 标签

标签是一个长度固定、只具有本地意义的标识符，用于唯一标识一个报文所属的FEC。一个标签只能代表一个FEC。

图1-1 标签的封装结构

 

 

如图1-1所示，标签封装在链路层报头和网络层报头之间的一个垫层中。标签长度为4个字节，由以下四个字段组成：

• Label：标签值，长度为20bits，用来标识一个FEC。
• Exp：3bits，保留，协议中没有明确规定，通常用作服务等级。
• S：1bit，MPLS支持多重标签。值为1时表示为最底层标签。
• TTL：8bits，和IP报文中的TTL意义相同，可以用来防止环路。

 

Exp称为MPLS报文服务等级，可影响报文的优先调度。有关报文调度的详细信息，请参见“ACL和QoS配置指导”中的“QoS”。

 

3. 标签交换路由器

LSR（Label Switching Router，标签交换路由器）是具有标签分发能力和标签交换能力的设备，是MPLS网络中的基本元素。

4. 标签边缘路由器

位于MPLS网络边缘、连接其他网络的LSR称为LER（Label Edge Router，标签边缘路由器）。

5. 标签交换路径

属于同一个FEC的报文在MPLS网络中经过的路径称为LSP（Label Switched Path，标签交换路径）。

LSP是从MPLS网络的入口到出口的一条单向路径。在一条LSP上，沿数据传送的方向，相邻的LSR分别称为上游LSR和下游LSR。如图1-2所示，LSR B为LSR A的下游LSR，相应的，LSR A为LSR B的上游LSR。

图1-2 标签交换路径

 

 

6. 标签转发表

与IP网络中的FIB（Forwarding Information Base，转发信息库）类似，在MPLS网络中，报文通过查找标签转发表确定转发路径。

7. 控制平面和转发平面

MPLS节点由两部分组成：

• 控制平面（Control Plane）：负责标签的分配、路由的选择、标签转发表的建立、标签交换路径的建立、拆除等工作。
• 转发平面（Forwarding Plane）：依据标签转发表对收到的分组进行转发。

1.1.2  MPLS网络结构

图1-3 MPLS网络结构

 

 

如图1-3所示，MPLS网络的基本构成单元是LSR，由LSR构成的网络称为MPLS域。MPLS网络包括以下几个组成部分：

• 入节点Ingress：报文的入口LER，负责为进入MPLS域的报文添加标签。
• 中间节点Transit：MPLS域内部的LSR，根据标签沿着由一系列LSR构成的LSP将报文传送给出口LER。
• 出节点Egress：报文的出口LER，负责剥离报文中的标签，并转发给目的网络。

Transit根据报文上附加的标签进行MPLS转发，Ingress和Egress负责MPLS与IP技术的转换。

1.1.3  LSP建立与标签的发布和管理

1. LSP建立

LSP的建立过程实际就是将FEC和标签进行绑定，并将这种绑定通告相邻LSR，以便在LSR上建立标签转发表的过程。LSP既可以通过手工配置的方式静态建立，也可以利用标签分发协议动态建立。

(1)      手工配置的方式静态建立LSP

建立静态LSP需要用户在报文转发路径中的各个LSR上手工配置为FEC分配的标签。建立静态LSP消耗的资源比较少，但静态建立的LSP不能根据网络拓扑变化动态调整。因此，静态LSP适用于拓扑结构简单并且稳定的小型网络。

(2)      利用标签发布协议动态建立LSP

标签发布协议是MPLS的信令协议，负责划分FEC、发布标签、建立维护LSP等。标签发布协议的种类较多，有专为标签发布而制定的协议，如LDP（Label Distribution Protocol，标签分发协议），也有扩展后支持标签发布的协议，如BGP、RSVP-TE。本文只介绍LDP协议。

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为了区分，本文中“标签发布协议”表示广义上所有用于标签发布的协议的总称；“LDP”表示RFC 5036规定的标签发布协议。LDP的详细介绍请参见“1.1.5  LDP”。

 

利用标签发布协议动态建立LSP的过程如图1-4所示。下游LSR根据目的地址划分FEC，为特定FEC分配标签，并将标签和FEC的绑定关系通告给上游LSR；上游LSR根据该绑定关系建立标签转发表项。报文传输路径上的所有LSR都为该FEC建立对应的标签转发表项后，就成功地建立了用于转发属于该FEC报文的LSP。

图1-4 动态LSP建立过程

 

 

 

如果在LSR上存在等价路由，则MPLS会根据等价路由建立等价LSP，MPLS报文在这些等价LSP之间进行负载分担。

 

2. 标签的发布和管理

标签发布就是将为FEC分配的标签通告给其他LSR。根据标签发布条件、标签发布顺序的不同，LSR通告标签的方式分为DU（Downstream Unsolicited，下游自主方式）和DoD（Downstream On Demand，下游按需方式）、独立标签控制方式（Independent）和有序标签控制方式（Ordered）几种。

标签管理，即标签保持方式，是指LSR对收到的、但目前暂时用不到的FEC和标签绑定的处理方式，分为自由标签保持方式（Liberal）和保守标签保持方式（Conservative）两种。

(1)      标签发布方式（Label Advertisement Mode）

图1-5 标签发布方式

 

 

如图1-5所示，标签发布方式分为：

• DU：对于一个特定的FEC，下游LSR自动为该FEC分配标签，并主动将标签分发给上游LSR。
• DoD：对于一个特定的FEC，上游LSR请求下游LSR为该FEC分配标签，下游LSR收到请求后，为该FEC分配标签并向上游LSR通告该标签。

 

• 目前，设备只支持DU标签发布方式。
• 具有标签分发邻接关系的上游LSR和下游LSR之间必须使用相同的标签发布方式，否则LSP无法正常建立。

 

(2)      标签分配控制方式（Label Distribution Control Mode）

标签分配控制方式分为：

• 独立标签控制方式：LSR可以在任意时间向与它连接的LSR通告标签映射。使用这种方式时，LSR可能会在收到下游LSR的标签之前就向上游通告了标签。如图1-6所示，如果标签发布方式是DU，则即使没有获得下游的标签，也会直接为上游分配标签；如果标签发布方式是DoD，则接收到标签请求的LSR直接为它的上游LSR分配标签，不必等待来自它的下游的标签。

图1-6 独立标签控制方式

 

 

• 有序标签控制方式：LSR只有收到它的下游LSR为某个FEC分配的标签，或该LSR是此FEC的出口节点时，才会向它的上游LSR通告此FEC的标签映射。图1-5中的标签发布过程采用了有序标签控制方式：如果标签发布模式为DU，则LSR只有收到下游LSR分配的标签后，才会向自己的上游LSR分配标签；如果标签发布模式为DoD，则下游LSR（Transit）收到上游LSR（Ingress）的标签请求后，继续向它的下游LSR（Egress）发送标签请求，Transit收到Egress分配的标签后，才会为Ingress分配标签。

(3)      标签保持方式（Label Retention Mode）

LSR接收到标签映射后，保留标签的方式分为：

• 自由标签保持方式：对于从邻居LSR收到的标签映射，无论邻居LSR是不是指定FEC的下一跳都保留。这种方式的优点是LSR能够迅速适应网络拓扑变化，但是浪费标签，所有不能生成LSP的标签都需要保留。
• 保守标签保持方式：对于从邻居LSR收到的标签映射，只有当邻居LSR是指定FEC的下一跳时才保留。这种方式的优点是节省标签，但是对拓扑变化的响应较慢。

 

目前只支持自由标签保持方式。

 

1.1.4  MPLS数据转发过程

1. 标签转发表构成

标签转发表由以下三部分构成：

• NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry，下一跳标签转发项）：描述对标签执行的操作，用于指导MPLS报文的转发。
• FTN（FEC to NHLFE map，FEC到NHLFE表项的映射）：用于在Ingress节点将FEC映射到NHLFE表项。LSR接收到不带标签的报文后，查找对应的FIB表项。如果FIB表项的Token值不是Invalid，则该报文需要进行MPLS转发。LSR根据Token值找到对应的NHLFE表项，以便确定需要执行的标签操作。
• ILM（Incoming Label Map，入标签映射）：用于将入标签映射到NHLFE表项。LSR接收到带有标签的报文后，查找对应的ILM表项。如果ILM表项的Token值非空，则找到Token值对应的NHLFE表项，以便确定需要执行的标签操作。

 

FTN、ILM通过Token与NHLFE关联。

 

2. MPLS数据转发

图1-7 MPLS转发过程示意图

 

 

如图1-7所示，MPLS网络中报文的转发过程为：

(1)      Ingress（Router B）接收到不带标签的报文，根据目的地址判断该报文所属的FEC，查找FIB表，获取Token值。Token值不是Invalid，则找到Token值对应的NHLFE表项。根据NHLFE表项为报文添加标签（40），并从相应的出接口（Ethernet1/2）将带有标签的报文转发给下一跳LSR（Router C）。

(2)      Router C接收到带有标签的报文，根据报文上的标签（40）查找ILM表项，获取Token值。Token值非空，则找到Token值对应的NHLFE表项。根据NHLFE表项，用新的标签（50）替换原有标签，并从相应的出接口（Ethernet1/2）将带有标签的报文转发给下一跳LSR（Router D）。

(3)      Egress（Router D）接收到带有标签的报文，根据报文上的标签（50）查找ILM表项，获取Token值。Token值为空，则删除报文中的标签。如果ILM表项中记录了出接口，则通过该出接口转发报文；否则，根据IP报头转发报文。

3. 倒数第二跳弹出

MPLS网络中，Egress节点接收到带有标签的报文后，查找标签转发表，弹出报文中的标签后，再进行下一层的标签转发或IP转发。Egress节点转发报文之前要查找两次转发表：两次标签转发表，或一次标签转发表一次路由转发表。

为了减轻Egress节点的负担，提高MPLS网络对报文的处理能力，可以利用PHP（Penultimate Hop Popping，倒数第二跳弹出）功能，在倒数第二跳节点处将标签弹出，Egress节点只需查找一次转发表。

PHP在Egress节点上配置。支持PHP的Egress节点分配给倒数第二跳节点的标签有以下两种：

• 标签值为0表示IPv4显式空标签（Explicit-null）。Egress为FEC分配IPv4显式空标签，并通告给上游LSR后，上游LSR用这个值替代栈顶原来的标签，并将报文转发给Egress。Egress收到标签值为0的报文时，不会查找标签转发表，直接弹出标签栈，进行IPv4转发。
• 标签值3表示隐式空标签（Implicit-null），这个值不会出现在标签栈中。当一个LSR发现下游LSR通告的标签为隐式空标签时，它并不用这个值替代栈顶原来的标签，而是直接弹出标签，并将报文转发给下游LSR（即Egress）。Egress接收到报文后，直接进行下一层的转发处理。

1.1.5  LDP

LDP是标签发布协议的一种，用来动态建立LSP。通过LDP，LSR可以把网络层的路由信息映射到数据链路层的交换路径上。

1. LDP基本概念

• LDP会话

LDP会话建立在TCP连接之上，用于在LSR之间交换标签映射、标签释放、差错通知等消息。

• LDP对等体

LDP对等体是指相互之间存在LDP会话，并通过LDP会话交换标签－FEC映射关系的两个LSR。

2. LDP消息类型

LDP协议主要使用四类消息：

• 发现（Discovery）消息：用于通告和维护网络中LSR的存在；
• 会话（Session）消息：用于建立、维护和终止LDP对等体之间的会话；
• 通告（Advertisement）消息：用于创建、改变和删除“标签—FEC”映射关系；
• 通知（Notification）消息：用于提供建议性的消息和差错通知。

为保证LDP消息的可靠发送，除了发现消息使用UDP传输外，LDP的会话消息、通告消息和通知消息都使用TCP传输。

3. LDP工作过程

LDP主要包括以下四个阶段：

(1)      发现阶段

所有希望建立LDP会话的LSR都周期性地发送Hello消息，通告自己的存在。通过Hello消息，LSR可以自动发现它的LDP对等体。

LDP对等体发现机制分为两种：

• 基本发现机制：用于发现本地的LDP对等体，即通过链路层直接相连的LSR，并与其建立Link hello邻接关系。这种方式下，LSR周期性地向“子网内所有路由器”的组播地址224.0.0.2发送LDP链路Hello消息，以便链路层直接相连的LSR发现此LDP对等体。
• 扩展发现机制：用于发现远端的LDP对等体，即不通过链路层直接相连的LSR，并与其建立Targeted hello邻接关系。这种方式下，LSR周期性地向指定的IP地址发送LDP目标Hello消息，以便指定IP地址对应的LSR发现此LDP对等体。

两个LSR为基本发现机制和扩展发现机制配置的传输地址（用来建立TCP连接的源IP地址）相同时，这两个LSR之间可以同时建立Link hello邻接关系和Targeted hello邻接关系，并且Link hello邻接关系和Targeted hello邻接关系关联到同一个会话。在LDP对等体之间存在直连（只有一跳）和非直连（多于一跳）多条路径的组网环境中，同时建立Link hello邻接关系和Targeted hello邻接关系可以实现利用扩展发现机制来保护与对等体的会话。当直连链路出现故障时，Link hello邻接关系将被删除。如果此时非直连链路正常工作，则Targeted hello邻接关系依然存在，因此，LDP会话不会被删除，基于该会话的FEC—标签绑定等信息也不会删除。直连链路恢复后，不需要重新建立LDP会话、重新学习FEC—标签绑定等信息，从而加快了LDP收敛速度。

两个LSR为基本发现机制和扩展发现机制配置的传输地址不同时，如果在这两个LSR之间已经建立了一种邻接关系，则无法再建立另一种邻接关系。

(2)      会话建立与维护

发现LDP对等体后，LSR开始建立会话。这一过程又可分为两步：

• 建立传输层连接，即在LSR之间建立TCP连接；
• 对LSR之间的会话进行初始化，协商会话中涉及的各种参数，如LDP版本、标签发布方式、Keepalive定时器值等。

会话建立后，LDP对等体之间通过不断地发送Hello消息和Keepalive消息来维护这个会话。

(3)      LSP建立与维护

LDP通过发送标签请求和标签映射消息，在LDP对等体之间通告FEC和标签的绑定关系，从而建立LSP。

LSP的建立过程，请参见“1.1.3  LSP建立与标签的发布和管理”。

(4)      会话撤销

在以下情况下，LSR将撤销LDP会话：

• LSR通过周期性发送Hello消息表明自己希望与邻居LSR继续维持这种邻接关系。如果Hello保持定时器超时仍没有收到新的Hello消息，则删除Hello邻接关系。一个LDP会话上可能存在多个Hello邻接关系。当LDP会话上的最后一个Hello邻接关系被删除后，LSR将发送通知消息，结束该LDP会话。
• LSR通过LDP会话上传送的LDP PDU（LDP PDU中携带一个或多个LDP消息）来判断LDP会话的连通性。如果在会话保持定时器（Keepalive定时器）超时前，LDP对等体之间没有需要交互的信息，LSR将发送Keepalive消息给LDP对等体，以便维持LDP会话。如果会话保持定时器超时，没有收到任何LDP PDU，LSR将关闭TCP连接，结束LDP会话。
• LSR还可以发送Shutdown消息，通知它的LDP对等体结束LDP会话。因此，LSR收到LDP对等体发送的Shutdown消息后，将结束与该LDP对等体的会话。

1.1.6  协议规范

与MPLS相关的协议规范有：

• RFC 3031：Multiprotocol Label Switching Architecture
• RFC 3032：MPLS Label Stack Encoding

·              RFC 5036：LDP Specification