网络协议-MPLS
MPLS
- 簡介
- MPLS的工作原理
- MPLS的實現(xiàn)原理
- 靜態(tài)LSP的配置方法
- 動態(tài)LSP（LDP）的配置方法
- 相關信息
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簡介
MPLS的起源
90年代中期，IP技術憑借技術簡單和成本低廉實現(xiàn)快速發(fā)展，Internet數(shù)據(jù)海量增長。
但由于硬件技術存在限制，基于最長匹配算法的IP技術必須使用軟件查找路由，轉發(fā)性能低下，因此IP技術的轉發(fā)性能成為當時限制網(wǎng)絡發(fā)展的瓶頸。
為了適應網(wǎng)絡的發(fā)展，ATM（Asynchronous Transfer Mode）技術應運而生。
ATM采用定長標簽（即信元），并且只需要維護比路由表規(guī)模小得多的標簽表，能夠提供比IP路由方式高得多的轉發(fā)性能。
然而，ATM協(xié)議相對復雜，且ATM網(wǎng)絡部署成本高，這使ATM技術很難普及。
如何結合IP與ATM的優(yōu)點成為熱門話題。
多協(xié)議標簽交換技術MPLS（Multiprotocol Label Switching）就是在這種背景下產生的。
MPLS最初是為了提高路由器的轉發(fā)速度而提出的。與傳統(tǒng)IP路由方式相比，它在數(shù)據(jù)轉發(fā)時，只在網(wǎng)絡邊緣分析IP報文頭，而不用在每一跳都分析IP報文頭，節(jié)約了處理時間。
隨著ASIC技術的發(fā)展，路由查找速度已經(jīng)不是阻礙網(wǎng)絡發(fā)展的瓶頸，這使得MPLS在提高轉發(fā)速度方面不再具備明顯的優(yōu)勢。但是MPLS支持多層標簽和轉發(fā)平面面向連接的特性，使其在
VPN（Virtual Private Network）、流量工程、QoS（Quality of Service）等方面得到廣泛應用。
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MPLS的定義
MPLS位于TCP/IP協(xié)議棧中的鏈路層和網(wǎng)絡層之間，用于向IP層提供連接服務，同時又從鏈路層得到服務。MPLS以標簽交換替代IP轉發(fā)，標簽是一個短而定長的、只具有本地意義的連接標識符，與ATM的VPI/VCI以及Frame Relay的DLCI類似。
MPLS不局限于任何特定的鏈路層協(xié)議，能夠使用任意二層介質傳輸網(wǎng)絡分組。MPLS起源于IPv4（Internet Protocol version 4），其核心技術可擴展到多種網(wǎng)絡協(xié)議，包括IPv6（Internet Protocol version 6）、IPX（Internet Packet Exchange）、Appletalk、DECnet、CLNP（Connectionless Network Protocol）等。MPLS中的“Multiprotocol”指的就是支持多種網(wǎng)絡協(xié)議。
由此可見，MPLS并不是一種業(yè)務或者應用，它實際上是一種隧道技術，在一定程度上可以保證信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>
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MPLS的工作原理
MPLS個工作原理主要包含兩部分內容：
- MPLS的體系結構是指運行MPLS的單個設備內部的獨立工作原理。
- MPLS的網(wǎng)絡結構是指運行MPLS的多個設備互連的聯(lián)合工作原理。
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MPLS的體系結構
MPLS的體系結構由控制平面（Control Plane）和轉發(fā)平面（Forwarding Plane）組成：
- 控制平面是無連接的，主要功能是負責標簽的分配、LFIB（標簽轉發(fā)表，Lable Forwarding Information Base）的建立、 LSP（標簽交換路徑，Label Switched Path）的建立、拆除等工作。
- 轉發(fā)平面也稱為數(shù)據(jù)平面（Data Plane），是面向連接的，可以使用ATM、Ethernet等二層網(wǎng)絡承載，主要功能是對IP包進行標簽的添加和刪除，同時依據(jù)標簽轉發(fā)表對收到的分組進行轉發(fā)。
MPLS的體系結構如圖1-1所示。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1-1?MPLS體系結構示意圖使用?
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- A：IP路由協(xié)議建立鄰居，交互路由信息，生成IP路由表。
- B：標簽交換協(xié)議從IP路由表中獲取路由信息。IP路由表中的路由前綴匹配了FEC（轉發(fā)等價類，Forwarding Equivalence Class），在傳統(tǒng)的采用最長匹配算法的IP轉發(fā)中，到同一條路由的所有報文就是一個FEC。
- C：IP路由表中激活的最優(yōu)路由生成IP轉發(fā)表。
- D：標簽轉換協(xié)議建立鄰居，為FEC分配標簽并發(fā)布給鄰居，同時獲取鄰居發(fā)布的標簽，生成標簽轉發(fā)表。
MPLS轉發(fā)平面建立以后，設備中已經(jīng)生成了IP轉發(fā)表和標簽轉發(fā)表，就可以對于接收到的數(shù)據(jù)包進行轉發(fā)，其過程如圖1-2所示。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1-2?MPLS轉發(fā)數(shù)據(jù)包過程示意圖
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MPLS的網(wǎng)絡結構
MPLS網(wǎng)絡的典型結構如圖1-3所示：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1-3?MPLS網(wǎng)絡結構
MPLS網(wǎng)絡的基本組成單元是標簽交換路由器LSR（Label Switching Router）：
- 位于MPLS域邊緣、連接其它網(wǎng)絡的LSR稱為邊沿路由器LER（Label Edge Router），如果一個LSR有一個或多個不運行MPLS的相鄰節(jié)點，那么該LSR就是LER。
- 區(qū)域內部的LSR稱為核心LSR（Core LSR），如果一個LSR的相鄰節(jié)點都運行MPLS，則該LSR就是核心LSR。
MPLS的實現(xiàn)原理
MPLS的實現(xiàn)原理是指：
為FEC（轉發(fā)等價類，Forwarding Equivalence Class）分配標簽來建立LSP（標簽交換路徑，Label Switched Path）。
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MPLS LSP
IP包在MPLS網(wǎng)絡中經(jīng)過的路徑稱為MPLS的LSP，即標簽交換的路徑，如圖1-4所示。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖1-4?MPLS LSP
MPLS LSP是一個單向路徑，與數(shù)據(jù)流的方向一致。
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LSP的起始節(jié)點稱為入節(jié)點（Ingress）：LSP的起始節(jié)點，一條LSP只能有一個Ingress。
Ingress的主要功能是給報文壓入一個新的標簽，封裝成MPLS報文進行轉發(fā)。
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位于LSP中間的節(jié)點稱為中間節(jié)點（Transit）：LSP的中間節(jié)點，一條LSP可能有0個或多個Transit。
Transit的主要功能是查找標簽轉發(fā)信息表，通過標簽交換完成MPLS報文的轉發(fā)。
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LSP的末節(jié)點稱為出節(jié)點（Egress）：LSP的末節(jié)點，一條LSP只能有一個Egress。
Egress的主要功能是彈出標簽，恢復成原來的報文進行相應的轉發(fā)。
其中Ingress和Egress既是LSR，又是LER；Transit是LSR。
根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的方向，LSR可以分為上游和下游。
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上游：以指定的LSR為視角，根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的方向，所有往本LSR發(fā)送MPLS報文的LSR都可以稱為上游LSR。
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下游：以指定的LSR為視角，根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的方向，本LSR將MPLS報文發(fā)送到的所有下一跳LSR都可以稱為下游LSR。
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MPLS標簽
標簽是一個短而定長的、只具有本地意義的標識符，用于唯一標識一個分組所屬的FEC。在某些情況下，例如要進行負載分擔，對應一個FEC可能會有多個入標簽，但是一臺LSR上，一個標簽只能代表一個FEC。
標簽長度為4個字節(jié)，封裝結構如圖1-5所示。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖1-5?MPLS報文首部結構
標簽共有4個域：
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Label：20bit，標簽值域。
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Exp：3bit，用于擴展。現(xiàn)在通常用做CoS（Class of Service），其作用與Ethernet802.1p的作用類似。
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BoS：1bit，棧底標識。MPLS支持多層標簽，即標簽嵌套。S值為1時表明為最底層標簽。
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TTL：8bit，和IP分組中的TTL（Time To Live）意義相同。
標簽封裝在鏈路層和網(wǎng)絡層之間。這樣，標簽能夠被任意的鏈路層所支持。標簽在分組中的封裝位置如圖1-6所示。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖1-6?標簽在分組中的封裝位置
標簽棧（Label stack）也稱為多層標簽，是指標簽的排序集合，如圖1-7所示。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1-7?標簽棧
靠近二層首部的標簽稱為棧頂標簽或外層標簽；靠近IP首部的標簽稱為棧底標簽，或內層標簽。
理論上，MPLS標簽可以無限嵌套。
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標簽棧按后進先出（Last In First Out）方式組織標簽，從棧頂開始處理標簽。
標簽的操作類型包括標簽壓入（Push）、標簽交換（Swap）和標簽彈出（Pop），它們是標簽轉發(fā)的基本動作，是標簽轉發(fā)信息表的組成部分。
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Push：指當IP報文進入MPLS域時，MPLS邊界設備在報文二層首部和IP首部之間插入一個新標簽；或者MPLS中間設備根據(jù)需要，在標簽棧頂增加一個新的標簽（即標簽嵌套封裝）。
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Swap：當報文在MPLS域內轉發(fā)時，根據(jù)標簽轉發(fā)表，用下一跳分配的標簽，替換MPLS報文的棧頂標簽。
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Pop：當報文離開MPLS域時，將MPLS報文的標簽去掉；或者MPLS倒數(shù)第二跳節(jié)點處去掉棧頂標簽，減少標簽棧中的標簽數(shù)目。
在最后一跳節(jié)點，標簽已經(jīng)沒有使用價值。這種情況下，可以利用倒數(shù)第二跳彈出特性PHP（Penultimate Hop Popping），在倒數(shù)第二跳節(jié)點處將標簽彈出，減少最后一跳的負擔。最后一跳節(jié)點直接進行IP轉發(fā)或者下一層標簽轉發(fā)。PHP在Egress節(jié)點上配置，通過分配特殊的標簽值3來實現(xiàn)。標簽值3表示隱式空標簽（implicit-null），這個值不會出現(xiàn)在標簽棧中。當一個LSR發(fā)現(xiàn)自己被分配了隱式空標簽時，它并不用這個值替代棧頂原來的標簽，而是直接執(zhí)行Pop操作。Egress節(jié)點直接進行IP轉發(fā)或下一層標簽轉發(fā)。
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分配標簽來建立LSP
MPLS需要為報文事先分配好標簽，建立一條MPLS LSP，才能進行報文轉發(fā)。標簽由下游分配，按從下游到上游的方向分發(fā)。
如圖1-8所示，由下游LSR在IP路由表的基礎上進行FEC的劃分，并將標簽分配給特定FEC，再通過標簽發(fā)布協(xié)議通知上游LSR，以便建立標簽轉發(fā)表和LSP。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1-8?MPLS LSP的建立
LSP分為靜態(tài)LSP和動態(tài)LSP兩種：
靜態(tài)LSP由手工配置，動態(tài)LSP則利用路由協(xié)議和標簽發(fā)布協(xié)議動態(tài)建立。
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MPLS可以使用多種標簽發(fā)布協(xié)議，例如LDP（Label Distribution Protocol）、RSVP-TE（Resource Reservation Protocol Traffic Engineering）和MP-BGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol）。
LDP是專為標簽發(fā)布而制定的協(xié)議，也是其中使用較廣的一種。LDP規(guī)定了標簽分發(fā)過程中的各種消息以及相關的處理過程。LSR之間將依據(jù)轉發(fā)表中對應于一個特定FEC的入標簽、下一跳節(jié)點、出標簽等信息聯(lián)系在一起，從而形成標簽交換路徑LSP。
靜態(tài)LSP的配置方法
組網(wǎng)圖如圖1-9所示，3個節(jié)點運行OSPF作為IGP，在節(jié)點上通過配置靜態(tài)LSP來實現(xiàn)LSRA到LSRC之間的MPLS隧道承載。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1-9?靜態(tài)LSP配置示例組網(wǎng)圖
本例中interface1，interface2分別代表GE 1/0/0，GE 2配置文件示例如所表1-1示：
表1-1?靜態(tài)LSP配置文件示例
| # sysname LSRA # mpls lsr-id 192.168.1.9 # mpls # interface GigabitEthernet1/0/0undo shutdown ip address 10.1.1.1 255.255.255.0mpls # interface LoopBack1ip address 192.168.1.9 255.255.255.255 # ospf 1 area 0.0.0.0 network 10.1.1.0 0.0.0.255network 192.168.1.9 0.0.0.0 # static-lsp ingress AtoC destination 192.168.3.9 32 nexthop 10.1.1.2 out-label 20 # return | # sysname LSRB # mpls lsr-id 192.168.2.9 # mpls # interface GigabitEthernet1/0/0undo shutdown ip address 10.1.1.2 255.255.255.0mpls # interface GigabitEthernet2/0/0undo shutdown ip address 10.2.1.1 255.255.255.0mpls # interface LoopBack1ip address 192.168.2.9 255.255.255.255 # ospf 1 area 0.0.0.0 network 10.1.1.0 0.0.0.255network 10.2.1.0 0.0.0.255network 192.168.2.9 0.0.0.0 # static-lsp transit AtoC in-label 20 outgoing-interface GigabitEthernet2/0/0 nexthop 10.2.1.2 out-label 40 # return | # sysname LSRC # mpls lsr-id 192.168.3.9 # mpls # interface Gigabrnet1/0/0undo shutdown ip address 10.2.1.2 255.255.255.0mpls # interface LoopBack1ip address 192.168.3.9 255.255.255.255 # ospf 1 area 0.0.0.0 network 10.2.1.0 0.0.0.255network 192.168.3.9 0.0.0.0 #static-lsp egress AtoC incoming-interface GigabitEthernet1/0/0 in-label 40 # return |
檢查配置結果：在設備上查看靜態(tài)LSP的狀態(tài)，以LSRA為列，Lsp Status為Up。
<LSRA> display mpls static-lsp verboseNo : 1LSP-Name : AtoCLSR-Type : IngressFEC : 192.168.3.9/32In-Label : NULLOut-Label : 20In-Interface : -Out-Interface : GigabitEthernet1/0/0NextHop : 10.1.1.2Static-Lsp Type : NormalLsp Status : Up動態(tài)LSP（LDP）的配置方法
組網(wǎng)圖如圖1-10所示，3個節(jié)點運行OSPF作為IGP，在節(jié)點上通過配置動態(tài)LSP來實現(xiàn)LSRA到LSRC之間的MPLS隧道承載。
圖1-10?動態(tài)LSP配置示例組網(wǎng)圖
本例中interface1，interface2分別代表GE 1/0/0，GE 2/0/0。
配置文件示例如所表1-2示：
表1-2?動態(tài)LSP配置文件示例
| # sysname LSRA # mpls lsr-id 192.168.1.9 # mpls # mpls ldp # interface GigabitEthernet1/0/0undo shutdownip address 10.1.1.1 255.255.255.0mplsmpls ldp # interface LoopBack1ip address 192.168.1.9 255.255.255.255 # ospf 1area 0.0.0.0network 10.1.1.0 0.0.0.255network 192.168.1.9 0.0.0.0 # return | # sysname LSRB # mpls lsr-id 192.168.2.9 # mpls # mpls ldp # interface GigabitEthernet1/0/0undo shutdownip address 10.1.1.2 255.255.255.0mplsmpls ldp # interface GigabitEthernet2/0/0undo shutdownip address 10.2.1.1 255.255.255.0mplsmpls ldp # interface LoopBack1ip address 192.168.2.9 255.255.255.255 # ospf 1 area 0.0.0.0 network 10.1.1.0 0.0.0.255network 10.2.1.0 0.0.0.255network 192.168.2.9 0.0.0.0 # return | # sysname LSRC # mpls lsr-id 192.168.3.9 # mpls # mpls ldp # interface GigabitEthernet1/0/0undo shutdownip address 10.2.1.2 255.255.255.0mplsmpls ldp # interface LoopBack1ip address 192.168.3.9 255.255.255.255 # ospf 1 area 0.0.0.0 network 10.2.1.0 0.0.0.255network 192.168.3.9 0.0.0.0 # return |
檢查配置結果：在設備上查看LDP的會話狀態(tài)，以LSRA為列，Status為Operational。
<LSRA> display mpls ldp sessionLDP Session(s) in Public NetworkCodes: LAM(Label Advertisement Mode), SsnAge Unit(DDD:HH:MM)An asterisk (*) before a session means the session is being deleted. ---------------------------------------------------------------------------------PeerID Status LAM SsnRole SsnAge KASent/Rcv --------------------------------------------------------------------------------- 192.168.2.9:0 Operational DU Passive 0000:00:22 91/91 --------------------------------------------------------------------------------- TOTAL: 1 Session(s) Found.?
總結
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