MPLS基礎知識

MPLS其它相關知識：

MPLS相關配置及抓包分析

MPLS BGP 跨域（OptionA/B/C）

MPLS VPN Hub and Spoke實驗

文章目錄

• MPLS簡介
• • 定義
• MPLS基本結構
• • 網絡結構
  • 體系結構+工作過程
• 工作過程
• MPLS标簽
• • 轉發等價類：
  • 标簽：
  • 标簽空間：
• LSP的建立
• • 靜态LSP的建立：
  • 動态LSP的建立：
• MPLS轉發
• • MPLS基本轉發過程：
  • MPLS詳細轉發過程：
• MPLS對TTL的處理：
• • MPLS對TTL的處理模式：

MPLS簡介

定義

多協定标簽交換MPLS（Multiprotocol Label Switching）是一種IP（Internet Protocol）骨幹網技術。MPLS在無連接配接的IP網絡上引入面向連接配接的标簽交換概念，将第三層路由技術和第二層交換技術相結合，充分發揮了IP路由的靈活性和二層交換的簡捷性。

MPLS起源于IPv4（Internet Protocol version 4），其核心技術可擴充到多種網絡協定，包括IPv6（Internet Protocol version 6）、IPX（Internet Packet Exchange）和CLNP（Connectionless Network Protocol）等。MPLS中的“Multiprotocol”指的就是支援多種網絡協定。

由此可見，MPLS并不是一種業務或者應用，它實際上是一種隧道技術。這種技術不僅支援多種高層協定與業務，而且在一定程度上可以保證資訊傳輸的安全性。

标簽交換：資料包在進入到的MPLS的域内後，将在第2層和3層中間壓入标簽号；使得域内的路由器在轉發該資料包時，基于2.5層的标簽号僅需要查詢本地的一張LFIB表（标簽轉發資訊資料庫）

最初在包交換僅支援原始交換時，标簽的意義在于更快的查詢；但随着包交換的加速，使用标簽交換失去了快速查表的優勢；

當下MPLS存在的意義：

1、解決BGP的路由黑洞 2、MPLS VPN 3、MPLS TE 流量工程

另外：随着包交換的加速，使得今天的MPLS技術也開始基于FIB表工作；來提高MPLS的工作效率；

MPLS基本結構

網絡結構

MPLS網絡的典型結構如下圖所示。MPLS基于标簽進行轉發，下圖中進行MPLS标簽交換和封包轉發的網絡裝置稱為标簽交換路由器LSR（Label Switching Router）；由LSR構成的網絡區域稱為MPLS域（MPLS Domain）。位于MPLS域邊緣、連接配接其他網絡的LSR稱為邊緣路由器LER（Label Edge Router），區域内部的LSR稱為核心LSR（Core LSR）。

IP封包進入MPLS網絡時，MPLS入口的LER分析IP封包的内容并且為這些IP封包添加合适的标簽，所有MPLS網絡中的LSR根據标簽轉發資料。當該IP封包離開MPLS網絡時，标簽由出口LER彈出。

IP封包在MPLS網絡中經過的路徑稱為标簽交換路徑LSP（Label Switched Path）。LSP是一個單向路徑，與資料流的方向一緻。

如上圖，LSP的入口LER稱為入節點（Ingress）；位于LSP中間的LSR稱為中間節點（Transit）；LSP的出口LER稱為出節點（Egress）。一條LSP可以有0個、1個或多個中間節點，但有且隻有一個入節點和一個出節點。

根據LSP的方向，MPLS封包由Ingress發往Egress，則Ingress是Transit的上遊節點，Transit是Ingress的下遊節點。同理，Transit是Egress上遊節點，Egress是Transit的下遊節點。

體系結構+工作過程

MPLS的體系結構由控制平面（Control Plane）和轉發平面（Forwarding Plane）組成。

• 控制層面：路由協定工作，生成RIB，流量的方向即為控制流量；官方點就是負責産生和維護路由資訊以及标簽資訊

• 路由資訊表RIB（Routing Information Base）：由IP路由協定（IP Routing

  Protocol）生成，用于選擇路由。

• 标簽分發協定LDP（Label Distribution

  Protocol）：負責标簽的配置設定、标簽轉發資訊表的建立、标簽交換路徑的建立、拆除等工作。

• 标簽資訊表LIB（Label Information Base）：由标簽分發協定生成，用于管理标簽資訊。
• 轉發平面：即資料平面（Data Plane），負責普通IP封包的轉發以及帶MPLS标簽封包的轉發：裝置基于路由表通路目标，産生資料流量； 與控制層面方向相反；
• 轉發資訊表FIB（Forwarding Information Base）：從RIB提取必要的路由資訊生成，負責普通IP封包的轉發。

• 标簽轉發資訊表LFIB（Label Forwarding Information

  Base）：簡稱标簽轉發表，由标簽分發協定在LSR上建立LFIB，負責帶MPLS标簽封包的轉發。

工作過程

控制層面：

1）在沒有MPLS時控制層面僅生成RIB（路由表）和FIB（轉發資訊資料庫）；FIB是基于RIB生成；

2）MPLS協定會啟動TDP（cisco私有）或LDP（公有），直連裝置間将建立鄰居關系；

LDP-- 基于UDP和TCP的646端口工作；先使用udp發送多點傳播hello包發現鄰居，擷取鄰居ip位址，再和該直連鄰居建立TCP的會話；鄰居關系建立後；為了鄰居關系間的穩定，一般使用裝置的環回位址來建立tcp會話；建議設定環回位址為mpls協定的route-id，該id值将攜帶在多點傳播收發的hello封包中，之後自動進行tcp會話建立；

總結：MPLS協定需要在直連鄰居間使用router-id位址來進行TCP的會話；故前提條件為，route-id必須為裝置真實使用的ip位址，建議為環回位址—穩定； 多點傳播hello包在直連的實體接口上收發，來擷取對端的router-id，自然也要求router-id值間路由可達；

是以正常在建立LDP的鄰居關系間，路由協定已經收斂完成，RIB和FIB表已經生成；

3）MPLS在建立鄰居關系後，生成鄰居表；LDP協定再基于FIB表中學習到的路由條目生成标簽号；

cisco裝置預設基于FIB表中所有學習到的路由條目生成标簽号，華為裝置預設僅基于FIB表中32位掩碼的主機路由生成标簽号；原因在于正常32位主機路由為ospf學習的環回接口，正常工程中隻有BGP和MPLS VPN才會基于環回通訊，使用标簽轉發；其他普通流量還是基于特快包交換來進行；反觀cisco在啟動mpls以後，所有流量将基于标簽轉發，降低了轉發效率（前提為預設）

4）标簽号生成後，将存儲于本地的LIB表-标簽資訊資料庫；LIB表将在鄰居間共享；

LIB表中裝載本地及鄰居為每條路由分發的标簽号；

5）運作MPLS協定的裝置，将LIB和FIB進行結合，将标簽号和最佳路徑的關系映射生成LFIB表（标簽轉發資訊資料庫）

注：控制層面生成的表格

RIB—》FIB—》LIB—》LFIB 前兩張表為路由協定工作後生成，後兩張表為MPLS的LDP協定生成；

資料層面：

1）沒有MPLS協定，基于FIB表正常轉發即可

2）名詞：MPLS domain – MPLS的工作半徑

edge LSR（PE）即（LER） --邊界标簽交換路由器 工作mpls域的邊緣，連接配接域外裝置

LSR （P）即（core LSR） – 标簽交換路由器 整體工作MPLS域内

3）當流量進入到第一台pe裝置時， 在沒有特快交換之前，路由器基于目标IP位址查詢本地的RIB；

之後還要在LIB表中對應才能确定流量是否應該壓入标簽，需要兩張表的查詢；

在存在特快交換時，流量進入第一pe時，直接查詢FIB表，表中關聯标簽号，将直接确定是否壓入标簽；

流量再到P路由器，接收到流量中若存在标簽基于LFIB表轉發，若沒有标簽基于FIB表即可；

流量從最後一台邊界離開MPLS 域時将彈出标簽；

存在标簽号的流量，進入路由器時，入标簽表應該為本地路由器配置設定的編号，出标簽為本地的下遊（下一跳）裝置配置設定的标簽号； 上下遊的概念基于資料層面進行标定；

MPLS标簽

轉發等價類：

MPLS将具有相同特征的封包歸為一類，稱為轉發等價類FEC（Forwarding Equivalence Class）。屬于相同FEC的封包在轉發過程中被LSR以相同方式處理。

FEC可以根據源位址、目的位址、源端口、目的端口、VPN等要素進行劃分。例如，在傳統的采用最長比對算法的IP轉發中，到同一條路由的所有封包就是一個轉發等價類。

标簽：

标簽（Label）是一個短而定長的、隻具有本地意義的辨別符，用于唯一辨別一個分組所屬的FEC。在某些情況下，例如要進行負載分擔，對應一個FEC可能會有多個入标簽，但是一台裝置上，一個标簽隻能代表一個FEC。

MPLS封包與普通的IP封包相比增加了MPLS标簽資訊，MPLS标簽的長度為4個位元組。MPLS标簽封裝在鍊路層和網絡層之間，可以支援任意的鍊路層協定。MPLS标簽的封裝結構如下圖所示：

标簽被壓入在2層與3層之間，稱為2.5層 标簽的格式—32位，4個位元組

前20位為标簽号，2^20個标簽号；其中1-15号保留，作為特殊編号；

第21-23位exp，3位8個數，為優先級，用于QOS政策使用；

第24位為棧底位，該位為1辨別該标簽為最後一層标簽；MPLS最大可以在一個資料包中封裝3次标簽；

标簽棧（Label Stack）

是名額簽的排序集合。靠近二層首部的标簽稱為棧頂MPLS标簽或外層MPLS标簽（Outer MPLS label）；靠近IP首部的标簽稱為棧底MPLS标簽或内層MPLS标簽（Inner MPLS label）。理論上，MPLS标簽可以無限嵌套。目前MPLS标簽嵌套主要應用在MPLS VPN、TE FRR（Traffic Engineering Fast ReRoute）中。普通的MPLS 一層标簽 MPLS VPN 兩層 MPLS TE 3層

标簽棧按後進先出方式組織标簽，從棧頂開始處理标簽。

TTL 生存時間 在第一次壓入标簽時，将目前資料包中的3層TTL複制到标簽中；之後查詢一次标簽TTL減一，在最後一跳裝置彈出标簽時将2.5層的TTL複制到3層報頭中；

标簽空間：

标簽空間就是名額簽的取值範圍。标簽空間劃分如下：

• 0～15：特殊标簽。

• 16～1023：靜态LSP和靜态CR-LSP（Constraint-based Routed Label Switched

  Path）共享的标簽空間。

• 1024及以上：LDP、RSVP-TE（Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering）、MP-BGP（MultiProtocol Border Gateway Protocol）等動态信令協定的标簽空間。

特殊标簽表：

标簽值	含義	描述
IPv4 Explicit NULL Label	表示該标簽必須被彈出（即标簽被剝掉），且封包的轉發必須基于IPv4。如果出節點配置設定給倒數第二跳節點的标簽值為0，則倒數第二跳LSR需要将值為0的标簽正常壓入封包标簽值頂部，轉發給最後一跳。最後一跳發現封包攜帶的标簽值為0，則将标簽彈出。
1	Router Alert Label	隻有出現在非棧底時才有效。類似于IP封包的“Router Alert Option”字段，節點收到Router Alert Label時，需要将其送往本地軟體子產品進一步處理。實際封包轉發由下一層标簽決定。如果封包需要繼續轉發，則節點需要将Router Alert Label壓回标簽棧頂。
2	IPv6 Explicit NULL Label	表示該标簽必須被彈出，且封包的轉發必須基于IPv6。如果出節點配置設定給倒數第二跳節點的标簽值為2，則倒數第二跳節點需要将值為2的标簽正常壓入封包标簽值頂部，轉發給最後一跳。最後一跳發現封包攜帶的标簽值為2，則直接将标簽彈出。
3	Implicit NULL Label	倒數第二跳LSR進行标簽交換時，如果發現交換後的标簽值為3，則将标簽彈出，并将封包發給最後一跳。最後一跳收到該封包直接進行IP轉發或下一層标簽轉發。
4～13	保留 -
14	OAM Router Alert Label	MPLS OAM（Operation Administration & Maintenance） 通過發送OAM封包檢測和通告LSP故障。OAM封包使用MPLS承載。OAM封包對于Transit LSR和倒數第二跳LSR（penultimate LSR）是透明的。
15	保留

LSP的建立

MPLS需要為封包事先配置設定好标簽，建立一條LSP，才能進行封包轉發。LSP分為靜态LSP和動态LSP兩種。

靜态LSP的建立：

靜态LSP是使用者通過手工為各個轉發等價類配置設定标簽而建立的。由于靜态LSP各節點上不能互相感覺到整個LSP的情況，是以靜态LSP是一個本地的概念。

靜态LSP不使用标簽釋出協定，不需要互動控制封包，是以消耗資源比較小，适用于拓撲結構簡單并且穩定的小型網絡。但通過靜态方式配置設定标簽建立的LSP不能根據網絡拓撲變化動态調整，需要管理者幹預。

配置靜态LSP時，管理者需要為各LSR手工配置設定标簽，需要遵循的原則是：前一節點出标簽的值等于下一個節點入标簽的值。

動态LSP的建立：

動态LSP的标簽釋出協定

動态LSP通過标簽釋出協定動态建立。标簽釋出協定是MPLS的控制協定（也可稱為信令協定），負責FEC的分類、标簽的分發以及LSP的建立和維護等一系列操作。

MPLS可以使用多種标簽釋出協定：

• LDP

  LDP（Label Distribution Protocol）是專為标簽釋出而制定的協定。LDP根據IGP（Interior Gateway Protocol）、BGP（Border Gateway Protocol）路由資訊通過逐跳方式建立LSP。

• RSVP-TE

  RSVP-TE（Resource Reservation Protocol Traffic Engineering）是對RSVP的擴充，用于建立基于限制的LSP。它擁有普通LDP LSP沒有的功能，如釋出帶寬預留請求、帶寬限制、鍊路顔色和顯式路徑等。

• MP-BGP

  MP-BGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol）是在BGP協定基礎上擴充的協定。MP-BGP支援為MPLS VPN業務中私網路由和跨域VPN的标簽路由配置設定标簽。

動态LSP的基本建立過程

标簽由下遊LSR配置設定，按從下遊到上遊的方向分發。如下圖，由下遊LSR在IP路由表的基礎上進行FEC的劃分，并根據FEC配置設定标簽，通告給上遊的LSR，以便建立标簽轉發表和LSP。

MPLS轉發

MPLS基本轉發過程：

基本概念

在MPLS基本轉發過程中涉及的相關概念如下：

标簽操作類型包括标簽壓入（Push）、标簽交換（Swap）和标簽彈出（Pop），它們是标簽轉發的基本動作。

• Push：當IP封包進入MPLS域時，MPLS邊界裝置在封包二層首部和IP首部之間插入一個新标簽；或者MPLS中間裝置根據需要，在标簽棧頂增加一個新的标簽（即标簽嵌套封裝）。
• Swap：當封包在MPLS域内轉發時，根據标簽轉發表，用下一跳配置設定的标簽，替換MPLS封包的棧頂标簽。

• Pop：當封包離開MPLS域時，将MPLS封包的标簽剝掉。

  在最後一跳節點，标簽已經沒有使用價值。這種情況下，可以利用倒數第二跳彈出特性PHP（Penultimate Hop Popping），在倒數第二跳節點處将标簽彈出，減少最後一跳的負擔。最後一跳節點直接進行IP轉發或者下一層标簽轉發。

• MPLS的次末跳 – 倒數第二跳 預設執行邊界LSR将本地的直連網段傳遞給MPLS域内鄰居後，LDP配置設定标簽号為3，告知倒數第二跳裝置它的身份；導緻倒數第二跳裝置在查詢LFIB表後，已知轉發路徑的前提下提前彈出标簽，使得最後一跳路由器均隻需要查詢FIB表；

  否則最後一跳路由器在查詢LFIB表後，彈出标簽還需要查詢FIB；

• 預設情況下，裝置支援PHP特性，支援PHP的Egress節點配置設定給倒數第二跳節點的标簽值為3。

基本轉發過程：

以支援PHP的LSP為例，說明MPLS基本轉發過程。

如上圖所示，MPLS标簽已分發完成，建立了一條LSP，其目的位址為4.4.4.2/32。則MPLS基本轉發過程如下：

1. Ingress節點收到目的位址為4.4.4.2的IP封包，壓入标簽Z并轉發。
2. Transit節點收到該标簽封包，進行标簽交換，将标簽Z換成标簽Y。
3. 倒數第二跳Transit節點收到帶标簽Y的封包。因為Egress分給它的标簽值為3，是以進行PHP操作，彈出标簽Y并轉發封包。從倒數第二跳轉發給Egress的封包以IP封包形式傳輸。
4. Egress節點收到該IP封包，将其轉發給目的地4.4.4.2/32。

MPLS詳細轉發過程：

基本概念：

在MPLS詳細轉發過程中涉及的相關概念如下：

• Tunnel ID

  為了給使用隧道的上層應用（如VPN、路由管理）提供統一的接口，系統自動為隧道配置設定了一個ID，也稱為Tunnel ID。該Tunnel ID的長度為32比特，隻是本地有效。

• NHLFE

  下一跳标簽轉發表項NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry）用于指導MPLS封包的轉發。

  NHLFE包括：Tunnel ID、出接口、下一跳、出标簽、标簽操作類型等資訊。

  FEC到一組NHLFE的映射稱為FTN（FEC-to-NHLFE）。通過檢視FIB表中Tunnel

  ID值不為0x0的表項，能夠獲得FTN的詳細資訊。FTN隻在Ingress存在。

• ILM

  入标簽到一組下一跳标簽轉發表項的映射稱為入标簽映射ILM（Incoming Label Map）。

  ILM包括：Tunnel ID、入标簽、入接口、标簽操作類型等資訊。

  ILM在Transit節點的作用是将标簽和NHLFE綁定。通過标簽索引ILM表，就相當于使用目的IP位址查詢FIB，能夠得到所有的标簽轉發資訊。

詳細轉發過程：

MPLS的詳細轉發過程如上圖所示：

當IP封包進入MPLS域時，首先檢視FIB表，檢查目的IP位址對應的Tunnel ID值是否為0x0。

• 如果Tunnel ID值為0x0，則進入正常的IP轉發流程。
• 如果Tunnel ID值不為0x0，則進入MPLS轉發流程。

在MPLS轉發過程中，FIB、ILM和NHLFE表項是通過Tunnel ID關聯的。

Ingress的處理：通過查詢FIB表和NHLFE表指導封包的轉發。

1. 檢視FIB表，根據目的IP位址找到對應的Tunnel ID。
2. 根據FIB表的Tunnel ID找到對應的NHLFE表項，将FIB表項和NHLFE表項關聯起來。
3. 檢視NHLFE表項，可以得到出接口、下一跳、出标簽和标簽操作類型。
4. 在IP封包中壓入出标簽，同時處理TTL，然後将封裝好的MPLS封包發送給下一跳。

Transit的處理：通過查詢ILM表和NHLFE表指導MPLS封包的轉發。

1. 根據MPLS的标簽值檢視對應的ILM表，可以得到Tunnel ID。
2. 根據ILM表的Tunnel ID找到對應的NHLFE表項。
3. 檢視NHLFE表項，可以得到出接口、下一跳、出标簽和标簽操作類型。
4. MPLS封包的處理方式根據不同的标簽值而不同。
5. 如果标簽值>＝16，則用新标簽替換MPLS封包中的舊标簽，同時處理TTL，然後将替換完标簽的MPLS封包發送給下一跳。
6. 如果标簽值為3，則直接彈出标簽，同時處理TTL，然後進行IP轉發或下一層标簽轉發。

Egress的處理：通過查詢ILM表指導MPLS封包的轉發或查詢路由表指導IP封包轉發。

• 如果Egress收到IP封包，則檢視路由表，進行IP轉發。
• 如果Egress收到MPLS封包，則檢視ILM表獲得标簽操作類型，同時處理TTL。
• 如果标簽中的棧底辨別S=1，表明該标簽是棧底标簽，直接進行IP轉發。
• 如果标簽中的棧底辨別S=0，表明還有下一層标簽，繼續進行下一層标簽轉發。

MPLS對TTL的處理：

MPLS對TTL的處理包括MPLS對TTL的處理模式和ICMP響應封包這兩個方面。

MPLS對TTL的處理模式：

MPLS标簽中包含一個8比特的TTL字段，其含義與IP頭中的TTL域相同。MPLS對TTL的處理除了用于防止産生路由環路外，也用于實作Traceroute功能。

RFC3443中定義了兩種MPLS對TTL的處理模式：Uniform和Pipe。預設情況下，MPLS對TTL的處理模式為Uniform。

Uniform模式

IP封包經過MPLS網絡時，在入節點，IP TTL減1映射到MPLS TTL字段，此後封包在MPLS網絡中按照标準的TTL處理方式處理。在出節點将MPLS TTL減1後映射到IP TTL字段。如下圖所示：

Pipe模式

在入節點，IP TTL值減1，MPLS TTL字段為固定值，此後封包在MPLS網絡中按照标準的TTL處理方式處理。在出節點會将IP TTL字段的值減1。即IP分組經過MPLS網絡時，無論經過多少跳，IP TTL隻在入節點和出節點分别減1。如下圖所示：

在MPLS VPN應用中，出于網絡安全的考慮，需要隐藏MPLS骨幹網絡的結構，這種情況下，對于私網封包，Ingress上使用Pipe模式。

ICMP響應封包：

在MPLS網絡中，當LSR收到TTL為1的含有标簽的MPLS封包時，LSR生成ICMP的TTL逾時消息。

• 如果LSR上存在到達封包發送者的路由，則可以通過IP路由，直接向發送者回應TTL逾時消息。
• 如果LSR上不存在到達封包發送者的路由，則ICMP響應封包将按照LSP繼續傳送，到達LSP出節點後，由Egress節點将該消息傳回給發送者。

通常情況下，收到的MPLS封包隻帶一層标簽時，LSR可以采用第一種方式回應TTL逾時消息；收到的MPLS封包包含多層标簽時，LSR采用第二種方式回應TTL逾時消息。

但是，在MPLS VPN中，ASBR（Autonomous System Boundary Router，自治系統邊界路由器）和HoVPN組網應用中的SPE（Superstratum PE or Sevice Provider-end PE，上層PE或營運商側PE），接收到的承載VPN封包的MPLS封包可能隻有一層标簽，此時，這些裝置上并不存在到達封包發送者的路由，則采用第二種方法回應TTL逾時消息。

參考文檔：華為産品文檔