计算机网络-MPLS基础概念

早期传统IP报文依赖路由器查询路由表转发，但由于硬件技术存在限制导致转发性能低，路由器的查表转发成为了网络数据转发的瓶颈。因此旨在提高路由器转发速度的MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换） 被提出。

随着设备硬件性能不断提升，MPLS在提高数据转发速度上的优势逐渐弱化，但其支持多层标签嵌套和设备内转控分离的特点，使其在VPN（Virtual Private Network，虚拟私有网络）、QoS（Quality of Service，服务质量） 等新兴应用中得到广泛应用。

一、MPLS概述

1.1 传统IP路由转发的痛点

在传统IP路由中，数据报文经过每一台路由器时，都需要逐跳解封装并查找路由表，这一过程不仅重复且效率低下。具体特点如下：

• 全网路由依赖：所有路由器必须知道全网路由信息。
• IP头部处理效率低：IP头部不定长，处理效率低下。
• 无连接性：传统IP转发面向无连接，无法提供良好的端到端QoS保证。

正是由于IP路由转发的这些特点，因此出现了MPLS多协议标签交换协议。

1.2 MPLS基本概念

MPLS位于TCP/IP协议栈中的数据链路层和网络层之间，可以向所有网络层提供服务。通过在数据链路层和网络层之间增加额外的MPLS头部，基于MPLS头部实现数据快速转发。

MPLS以标签交换替代IP转发。标签是一个短而定长的、只具有本地意义的标识符。

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）、Appletalk、DECnet、CLNP（Connectionless Network Protocol）等。MPLS中的"Multiprotocol"指的就是支持多种网络协议。

1.3 MPLS基础术语概念

1.3.1 MPLS域与LSR

MPLS域（MPLS Domain）：一系列连续的运行MPLS的网络设备构成的区域。

LSR（标签交换路由器）：支持MPLS的路由器或交换机等网络设备。

• LER（边沿路由器）：位于MPLS域边缘，连接其他网络。
• Core LSR（核心LSR）：位于MPLS域内部。

就是支持MPLS的网络设备称为LSR，然后又类似OSPF区分了那些是在MPLS的边缘，那些是在MPLS内部分为LER边缘路由器和核心LSR，所有这些设备组成MPLS域。

1.3.2 LSR分类

除了安装设备的位置还可以安装对标签的处理方式进行划分,根据LSR在MPLS域中的位置和数据处理方式，可分为：

• 入站LSR（Ingress LSR）：负责向IP报文中压入MPLS头部。
• 中转LSR（Transit LSR）：负责标签置换操作，继续转发报文。
• 出站LSR（Egress LSR）：负责移除MPLS头部，还原为IP报文。

1.3.3 FEC（转发等价类）

FEC（Forwarding Equivalence Class）：是一组具有某些共性的数据流的集合，这些数据流在转发过程中被网络节点以相同方式处理。

• 在MPLS网络中，FEC可以通过多种方式划分，例如基于目的IP地址及网络掩码、DSCP等特征来划分。
• 数据属于哪一个LSP，由数据进入MPLS域时的Ingress LSR决定。
• MPLS标签通常是与FEC相对应的，必须有某种机制使得网络中的LSR获得关于某FEC的标签信息。

在传统的采用最长匹配算法的IP转发中，匹配到同一条路由的所有报文就是一个转发等价类。在MPLS中，关于FEC最常见的例子是：目的IP地址匹配同一条IP路由的报文被认为属于同一个FEC。

关于FEC如果单看概念是不容易理解，可以理解为FEC简单的就是到达某个相同目的路由的一类数据包。在IP路由中通过静态路由ip route-static 192.168.1.0 24 10.0.0.1表示到达192.168.1.0/24网段的数据依据下一跳10.0.0.1进行转发，而在MPLS中也是类似的，匹配到目的地址192.168.1.0/24就分为一类FEC，这是最简单的表示，也可以进行细分。

1.3.4 LSP（标签交换路径）

LSP（Label Switched Path，标签交换路径） 是标签报文穿越MPLS网络到达目的地所走的路径。与上面的FEC进行相关联。同一个FEC的报文通常采用相同的LSP穿越MPLS域，所以对同一个FEC，LSR总是用相同的标签转发。

• 一条LSP包含一台入站LSR、一台出站LSR以及数量可变的中转LSR，因此LSP也可以看做是这些LSR的有序集合。
• LSP需要在数据转发开始前建立完成，只有这样报文才能顺利穿越MPLS域。
• LSP可通过静态和动态两种方式建立。
• 需要注意的是，LSP是一个从"起点"到"终点"的单向路径，若需要双向数据互通，则需要在双方之间建立双向的LSP。

缺省情况下MPLS的每个LSR路由器都对标签进行处理也就是每个路由器都验证标签，LSP就是每一个LSR路由器处理过程的路径，而且标签是没有方向的，也就是来回数据都需要LSP。

小结：从上面我们可以知道运行MPLS的网络设备组成MPLS域，而这些MPLS的设备称为LSR，根据对标签的处理分为入站LSR、出站LSR和中转LSR。到达同一目的网络的LSR路径的有序集合称为LSP（标签转发路径），LSP关联到FEC转发等价类进行分类，而且LSP是单向的，如果需要互相通信需要双向建立LSP。

二、MPLS标签

IP报文进入MPLS域之前，会被入站LSR压入MPLS头部（又叫MPLS标签），形成一个MPLS标签报文。一个标签报文可以包含一个或多个MPLS标签。

2.1 标签结构

MPLS标签位于二层帧头部和IP头部之间，包含以下字段：

• Label（标签值）：20bit，用于标识FEC。
• EXP（实验用途）：3bit，主要用于CoS（服务质量）。
• S（栈底位）：1bit，栈底位，用于指示该标签头部是否为最后一层标签，长度1bit。如果该字段为1，则表示当前标签头部为栈底；如果该字段为0，则表示当前标签头部之后依然还有其他标签头部。
• TTL（生存时间）：8bit，防止报文在网络中无限循环。

2.2 标签栈

• MPLS支持一层或多层标签头部，这些标签头部的有序集合被称为标签栈（Label Stack）。
• 当标签栈中存在多个标签时，这些标签的顺序是非常讲究的：
  • 栈顶标签：最靠近二层头部的标签，S字段为0。
  • 栈底标签：最靠近IP头部的标签，S字段为1。

通过前面标签结构中的S栈底为确定是否为栈顶或者栈底。当上层为MPLS标签栈时，以太网头部中的Type字段为0x8847，PPP头部中的Protocol字段为0x8281。

2.3 标签空间

前面我们讲了那么多的标签，那么标签究竟是怎样的呢？标签是一个短而定长的、只具有本地意义的标识符。标签空间就是指标签的取值范围，简单说标签就是一个数字，具有本地意义的数字。标签值的范围及规划如下：

2.4 MPLS标签的处理

LSR对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）。

• LSR对标签的操作类型包括：
  • Push（标签压入）：在报文进入MPLS域时，压入新的标签。
  • Swap（标签交换）：在MPLS域内转发时，替换标签。
  • Pop（标签弹出）：在报文离开MPLS域时，移除标签。

结合前面的入站LSR和出站LSR和转发LSR可以理解各个标签路由器对于标签的压入、转发、弹出，然后在最后一跳转换为平台的IP数据包。

总结：

• MPLS通过标签转发显著提升了数据转发速度。
• MPLS术语（如MPLS域、LSR、FEC、LSP）是理解MPLS的关键。
• MPLS标签的结构和操作机制是实现高效转发的核心。

通过本章的学习，我们对MPLS的基本概念、术语和标签有了全面的了解，可以知道传统IP转发路由器需要每次进行查找路由表匹配到数据包然后进行转发，而MPLS只要规划好LSP和FEC只对标签进行处理即可，是执行压入标签、转发标签还是弹出标签就行相对来说效率更高。