mpls network 什么是MPLS？多协议标签交换（MPLS）基础知识和工作原理

《什么是MPLS？多协议标签交换》

简介 MPLS的起源

90年代中期，IP技术凭借技术简单和成本低廉实现快速发展，数据海量增长。但由于硬件技术存在限制，基于最长匹配算法的IP技术必须使用软件查找路由，转发性能低下，因此IP技术的转发性能成为当时限制网络发展的瓶颈。

为了适应网络的发展，ATM（ Mode）技术应运而生。ATM采用定长标签（即信元），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ATM技术很难普及。

如何结合IP与ATM的优点成为热门话题。多协议标签交换技术MPLS（ Label ）就是在这种背景下产生的。

MPLS最初是为了提高路由器的转发速度而提出的。与传统IP路由方式相比，它在数据转发时，只在网络边缘分析IP报文头，而不用在每一跳都分析IP报文头，节约了处理时间。

随着ASIC技术的发展，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。但是MPLS支持多层标签和转发平面面向连接的特性，使其在VPN（）、流量工程、QoS（ of ）等方面得到广泛应用。

MPLS的定义

MPLS位于TCP/IP协议栈中的链路层和网络层之间，用于向IP层提供连接服务，同时又从链路层得到服务。MPLS以标签交换替代IP转发，标签是一个短而定长的、只具有本地意义的连接标识符，与ATM的VPI/VCI以及Frame Relay的DLCI类似。

MPLS不局限于任何特定的链路层协议，能够使用任意二层介质传输网络分组。MPLS起源于IPv4（ 4），其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6（ 6）、IPX（）、、、CLNP（）等。MPLS中的“”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，在一定程度上可以保证信息传输的安全性。

MPLS的工作原理

MPLS个工作原理主要包含两部分内容：

MPLS的体系结构

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

MPLS的体系结构如图1-1所示。

图1-1MPLS体系结构示意图使用

MPLS转发平面建立以后，设备中已经生成了IP转发表和标签转发表，就可以对于接收到的数据包进行转发，其过程如图1-2所示。

图1-2MPLS转发数据包过程示意图

MPLS的网络结构

MPLS网络的典型结构如图1-3所示：

图1-3MPLS网络结构示意图

MPLS网络的基本组成单元是标签交换路由器LSR（Label ）：

MPLS的实现原理

MPLS的实现原理是指：为FEC（转发等价类， Class）分配标签来建立LSP（标签交换路径，Label Path）。

MPLS LSP

IP包在MPLS网络中经过的路径称为MPLS的LSP，即标签交换的路径，如图1-4所示。

图1-4MPLS LSP

MPLS LSP是一个单向路径，与数据流的方向一致。

其中和既是LSR，又是LER；是LSR。

根据数据传送的方向，LSR可以分为上游和下游。

MPLS标签

标签是一个短而定长的、只具有本地意义的标识符，用于唯一标识一个分组所属的FEC。在某些情况下，例如要进行负载分担，对应一个FEC可能会有多个入标签，但是一台LSR上，一个标签只能代表一个FEC。

标签长度为4个字节，封装结构如图1-5所示。

图1-5MPLS报文首部结构

标签共有4个域：

标签封装在链路层和网络层之间。这样，标签能够被任意的链路层所支持。标签在分组中的封装位置如图1-6所示。

图1-6标签在分组中的封装位置

标签栈（Label stack）也称为多层标签，是指标签的排序集合，如图1-7所示。靠近二层首部的标签称为栈顶标签或外层标签；靠近IP首部的标签称为栈底标签，或内层标签。理论上，MPLS标签可以无限嵌套。

图1-7标签栈

标签栈按后进先出（Last In First Out）方式组织标签，从栈顶开始处理标签。

标签的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，是标签转发信息表的组成部分。

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（ Hop ），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。PHP在节点上配置，通过分配特殊的标签值3来实现。标签值3表示隐式空标签（-null），这个值不会出现在标签栈中。当一个LSR发现自己被分配了隐式空标签时，它并不用这个值替代栈顶原来的标签，而是直接执行Pop操作。节点直接进行IP转发或下一层标签转发。

分配标签来建立LSP

MPLS需要为报文事先分配好标签，建立一条MPLS LSP，才能进行报文转发。标签由下游分配，按从下游到上游的方向分发。

如图1-8所示，由下游LSR在IP路由表的基础上进行FEC的划分，并将标签分配给特定FEC，再通过标签发布协议通知上游LSR，以便建立标签转发表和LSP。

图1-8MPLS LSP的建立

LSP分为静态LSP和动态LSP两种：静态LSP由手工配置，动态LSP则利用路由协议和标签发布协议动态建立。

MPLS可以使用多种标签发布协议，例如LDP（Label ）、RSVP-TE（）和MP-BGP（）。

LDP是专为标签发布而制定的协议，也是其中使用较广的一种。LDP规定了标签分发过程中的各种消息以及相关的处理过程。LSR之间将依据转发表中对应于一个特定FEC的入标签、下一跳节点、出标签等信息联系在一起，从而形成标签交换路径LSP。

静态LSP的配置方法

组网图如所示，3个节点运行OSPF作为IGP，在节点上通过配置静态LSP来实现LSRA到LSRC之间的MPLS隧道承载。

图1-9静态LSP配置示例组网图

本例中，分别代表GE 1/0/0，GE 2/0/0。

配置文件示例如所示：

表1-1静态LSP配置文件示例

LSRA

LSRB

LSRC

#
sysname LSRA
#
mpls lsr-id 192.168.1.9
#
mpls
#
interface GigabitEthernet1/0/0
 undo shutdown  
 ip address 10.1.1.1 255.255.255.0
 mpls           
#               
interface LoopBack1
 ip address 192.168.1.9 255.255.255.255
#               
ospf 1          
 area 0.0.0.0   
  network 10.1.1.0 0.0.0.255
  network 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 GigabitEthernet1/0/0
 undo shutdown  
 ip address 10.1.1.2 255.255.255.0
 mpls           
#               
interface GigabitEthernet2/0/0
 undo shutdown  
 ip address 10.2.1.1 255.255.255.0
 mpls           
#               
interface LoopBack1
 ip address 192.168.2.9 255.255.255.255
#               
ospf 1          
 area 0.0.0.0   
  network 10.1.1.0 0.0.0.255
  network 10.2.1.0 0.0.0.255
  network 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 GigabitEthernet1/0/0
 undo shutdown  
 ip address 10.2.1.2 255.255.255.0
 mpls           
#               
interface LoopBack1
 ip address 192.168.3.9 255.255.255.255
#               
ospf 1          
 area 0.0.0.0   
  network 10.2.1.0 0.0.0.255
  network 192.168.3.9 0.0.0.0
#
 static-lsp egress AtoC incoming-interface GigabitEthernet1/0/0 in-label 40
#
return

检查配置结果：在设备上查看静态LSP的状态，以LSRA为列，Lsp 为Up。

 display mpls static-lsp verbose
 No              : 1
 LSP-Name        : AtoC
 LSR-Type        : Ingress
 FEC             : 192.168.3.9/32
 In-Label        : NULL
 Out-Label       : 20
 In-Interface    : -
 Out-Interface   : GigabitEthernet1/0/0
 NextHop         : 10.1.1.2
 Static-Lsp Type : Normal
 Lsp Status      : Up

动态LSP（LDP）的配置方法

组网图如所示，3个节点运行OSPF作为IGP，在节点上通过配置动态LSP来实现LSRA到LSRC之间的MPLS隧道承载。

图1-10动态LSP配置示例组网图

本例中，分别代表GE 1/0/0，GE 2/0/0。

配置文件示例如所示：

表1-2动态LSP配置文件示例

LSRA

LSRB

LSRC

#
sysname LSRA
#
mpls lsr-id 192.168.1.9
#
mpls
#
mpls ldp
#
interface GigabitEthernet1/0/0
 undo shutdown
 ip address 10.1.1.1 255.255.255.0
 mpls
 mpls ldp
#
interface LoopBack1
 ip address 192.168.1.9 255.255.255.255
#
ospf 1
 area 0.0.0.0
  network 10.1.1.0 0.0.0.255
  network 192.168.1.9 0.0.0.0
#
return

#
sysname LSRB
#
mpls lsr-id 192.168.2.9
#
mpls
#
mpls ldp
#
interface GigabitEthernet1/0/0
 undo shutdown
 ip address 10.1.1.2 255.255.255.0
 mpls
 mpls ldp
#
interface GigabitEthernet2/0/0
 undo shutdown
 ip address 10.2.1.1 255.255.255.0
 mpls
 mpls ldp
#
interface LoopBack1
 ip address 192.168.2.9 255.255.255.255
#
ospf 1          
 area 0.0.0.0   
  network 10.1.1.0 0.0.0.255
  network 10.2.1.0 0.0.0.255
  network 192.168.2.9 0.0.0.0
# 
return

#
sysname LSRC
#
mpls lsr-id 192.168.3.9
#
mpls
#
mpls ldp
#
interface GigabitEthernet1/0/0
 undo shutdown
 ip address 10.2.1.2 255.255.255.0
 mpls
 mpls ldp
#
interface LoopBack1
 ip address 192.168.3.9 255.255.255.255
#               
ospf 1          
 area 0.0.0.0   
  network 10.2.1.0 0.0.0.255
  network 192.168.3.9 0.0.0.0
#
return

检查配置结果：在设备上查看LDP的会话状态，以LSRA为列，为。

 display mpls ldp session
 LDP Session(s) in Public Network
 Codes: 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.

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