Network MPLS

参考：MPLS是什么？MPLS是如何工作的？ – 华为 (huawei.com)

什么是MPLS – 华为 (huawei.com)

MPLS 定义

多协议标签交换MPLS（Multiprotocol Label Switching）是一种IP（Internet Protocol）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起源于IPv4（Internet Protocol version 4），其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6（Internet Protocol version 6）、IPX（Internet Packet Exchange）和CLNP（Connectionless Network Protocol）等。MPLS中的“Multiprotocol”指的就是支持多种网络协议。

由此可见，MPLS并不是一种业务或者应用，它实际上是一种隧道技术。这种技术不仅支持多种高层协议与业务，而且在一定程度上可以保证信息传输的安全性。

MPLS的起源与ATM

MPLS（Multiprotocol Label Switching）。

传统的路由查找是通过最长匹配算法查找路由，在大型的网络中这种通过路由器主要通过软件方式来查找路由表，效率很低，这就导致路由器的IP转发性能低下。

ATM（Asynchronous Transfer Mode）技术应运而生。ATM采用定长标签，并且只需要维护比路由表规模小得多的标签表，能够提供比IP路由方式高得多的转发性能。然而，ATM协议相对复杂，且ATM网络部署成本高，这使得ATM技术很难普及。

ATM技术虽然没有成功，但其中的几点心法口诀却属创新：

  • 摒弃了繁琐的路由查找，改为简单快速的标签交换；
  • 将具有全局意义的路由表改为只有本地意义的标签表。

MPLS将自己定位在第2. 5层的位置,可以承载多协议报文。

MPLS 心法-基于标签的转发

MPLS 通常对经过的数据流打上标签（Label)，标签只具有本地意义，数据流根据相同的属性（例如：目的路由、cos、隧道）归类被叫作FEC（转发等价类）.由LSR（Label Swithcing Router) 负责对标签报文进行快速的令牌交换操作（标签交换，SWAP）。数据流所走的路径就是标签交换通道LSP（Label Switched Path）。

MPLS标签交换和报文转发的网络设备称为标签交换路由器LSR（Label Switching Router）

LSR、LER的定义：

由LSR构成的网络区域称为MPLS域（MPLS Domain）。位于MPLS域边缘、连接其他网络的LSR称为边缘路由器LER（Label Edge Router），区域内部的LSR称为核心LSR（Core LSR）。(LER 是LSR 的特殊情况，连接用户的网络一侧）

FEC定义：

MPLS将具有相同特征的报文归为一类，称为转发等价类FEC（Forwarding Equivalence Class）。属于相同FEC的报文在转发过程中被LSR以相同方式处理。

FEC可以根据源地址、目的地址、源端口、目的端口、VPN等要素进行划分。例如，在传统的采用最长匹配算法的IP转发中，到同一条路由的所有报文就是一个转发等价类。

MPLS 标签的产生

MPLS 有多种标签发布协议，LDP、RSVP-TE、MP-BGP.

在MPLS中，有一个叫LDP（Label Distribution Protocol）的秘笈，是一个动态的生成标签的协议。

标签由数据流经的LSP上的下游LSR分配，按从下游到上游的方向分发。如上图，Egress告诉Transit说：如果你要转发到3.3.3.9/32的数据给我，你就为报文加上标签X。接着Transit又向Ingress说：如果你要转发到3.3.3.9/32的数据给我，你就为报文加上标签Z。

LSR（Transit）设备上的标签转发信息：

IN interfaceIN labelPrefix/MASKOUT interface (nexthop)OUT label
If0Z3.3.3.9/32if1X

这里的IN和OUT，是相对于标签转发设备而言，不是相对于标签分配设备，总结一个心法口诀就是：

！ 入标签是我分给上游设备的，出标签是下游设备分给我的。

！我分配的标签是给上游设备用的，由上游设备添加到报文中。

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

RSVP-TE（Resource Reservation Protocol Traffic Engineering）是对RSVP的扩展，用于建立基于约束的LSP。它拥有普通LDP LSP没有的功能，如发布带宽预留请求、带宽约束、链路颜色和显式路径等。

MP-BGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol）是在BGP协议基础上扩展的协议。MP-BGP支持为MPLS VPN业务中私网路由和跨域VPN的标签路由分配标签。

MPLS 报文转发过程

标签操作类型包括标签压入（Push）、标签交换（Swap）和标签弹出（Pop），它们是标签转发的基本动作。

在MPLS标签分配完毕之后，一条转发报文的LSP就建立完成了。LSP（标签交换通道）上的每个设备在收到报文之后根据标签进行转发。还是用上面这个例子，Ingress节点收到目的地址为3.3.3.9的IP报文，压入标签Z并转发。Transit节点收到带标签Z的报文，进行标签交换，替换为标签X并转发报文。Egress节点收到该报文后弹出标签，变为IP报文，而后将其转发给目的地3.3.3.9/32。

PHP 特性：

  • Push：当IP报文进入MPLS域时，MPLS边界设备（LER）在报文二层首部和IP首部之间插入一个新标签；或者MPLS中间设备根据需要，在标签栈顶增加一个新的标签（即标签嵌套封装）。
  • 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。
  • Pop：当报文离开MPLS域时，将MPLS报文的标签剥掉。在最后一跳节点，标签已经没有使用价值。这种情况下，可以利用倒数第二跳弹出特性PHP（Penultimate Hop Popping），在倒数第二跳节点处将标签弹出，减少最后一跳的负担。最后一跳节点直接进行IP转发或者下一层标签转发。默认情况下，设备支持PHP特性，支持PHP的Egress节点分配给倒数第二跳节点的标签值为3。
  1. Ingress节点收到目的地址为4.4.4.2的IP报文，压入标签Z并转发。
  2. Transit节点收到该标签报文，进行标签交换，将标签Z换成标签Y。
  3. 倒数第二跳Transit节点收到带标签Y的报文。因为Egress分给它的标签值为3，所以进行PHP操作，弹出标签Y并转发报文。从倒数第二跳转发给Egress的报文以IP报文形式传输。
  4. Egress节点收到该IP报文，将其转发给目的地4.4.4.2/32。

MPLS 的应用场景

好景不长，由于网络发展，路由查找速度已经不是阻碍网络发展的瓶颈。这使得MPLS在提高转发速度方面不再具备明显的优势.

基于MPLS的VPN

MPLS VPN是指利用MPLS在IP骨干网络上构建VPN的技术。VPN的实质就是在公网上像私有专用网一样传输业务数据，这就需要在公网上建立一条隧道，让数据报文通过隧道直达目的地，从而达到私有专用网络的效果。概括地讲，MPLS VPN就是采用MPLS建立的LSP作为公网隧道来传输私网业务数据的。

MPLS VPN的基本模型主要由以下三种角色构成：

  • CE（Customer Edge）：用户网络边缘设备，有接口直接与服务提供商SP（Service Provider）网络相连，用户的VPN站点（Site）通过CE连接到SP网络。CE可以是网络设备，也可以是一台主机。通常情况下，CE“感知”不到VPN的存在，也不需要支持MPLS。
  • PE（Provider Edge）：是服务提供商网络的边缘设备，与CE直接相连。在MPLS网络中，PE设备作为LSR，对MPLS和VPN的所有处理都发生在PE上，对PE性能要求较高。
  • P（Provider）：服务提供商网络中的骨干设备，不与CE直接相连。在MPLS网络中，P设备作为LSR，只需要处理MPLS，不维护VPN信息。

基于MPLS 的流量工程TE(Traffic Engineering)

流量工程TE（Traffic Engineering）通过动态监控网络的流量和网络单元的负载，实时调整流量管理参数、路由参数和资源约束参数等，使网络运行状态迁移到理想状态，优化网络资源的使用，避免负载不均衡导致的拥塞。

为了在大型骨干网络中部署流量工程，必须采用一种可扩展性好、简单的解决方案。MPLS作为一种叠加模型，可以方便地在物理网络拓扑上建立一个虚拟拓扑，然后将流量映射到这个拓扑上。因此，基于MPLS的流量工程技术应运而生，即MPLS TE。

流量工程可以根据带宽等因素合理地分配流量，从而有效地避免链路拥塞。例如，LSR_1到LSR_7存在两种业务，流量分别为30M和50M，流量工程可以把前者分配到带宽为30M的路径上，将后者分配到带宽为80M的路径上。

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