技術背景
90年代初期，互聯網流量快速增長，而由于當時硬體技術的限制，路由器采用最長匹配演算法逐跳轉發資料包，成為網路資料轉發的瓶頸；于是快速路由技術成為當時研究的一個熱點；在各種方案中，IETF確定了MPLS協議作為標準的協議；MPLS采用短而定長的標簽進行資料轉發，大大提高了硬體限制下的轉發能力（當然現在硬體已經沒有限制，MPLS更多用于營運商做MPLS VPN，流量工程和服務質量）；而且MPLS可以擴展到多種網路協議；
傳統IP轉發示意圖
提示：如上圖所示，用戶A想要和用戶B通信，首先資料包發送R1以后，路由器會根據資料包的目標ip地址進行路由查找，從而實作將資料包最終轉發到用戶B；這種ip轉發采用最長匹配原則，需要多次查表，演算法效率不高；況且當時路由器多采用CPU進行轉發處理，這意味著來一個資料包都會上交給cpu處理，很顯然這會額外帶來性能上的開銷；從而影響路由器性能；
ATM轉發示意圖
提示：如上圖所示，用戶A想要和用戶B通信，首先用戶A將資料包發送給R1，R1收到用戶資料包，通過查看資料包攜帶的標簽，從而在ATM轉發表里查找對應標簽表項，然后將對應資料包，從對應介面轉發出去并打上對應標簽；這種ATM轉發采用唯一匹配，一次查表，很顯然比上述的ip轉發效率要高；但是ATM控制指令復雜，成本高昂，難以普及；所以ATM技術沒能成功得到推廣；
ATM技術雖然沒能成功，但其中的心法口訣卻屬創新；首先ATM摒棄了繁瑣的路由查找，改為簡單快速的標簽交換；即通過標簽交換來實作資料包的轉發；其次ATM將具有全域意義的路由表改為只有本地意義的標簽表；
MPLS簡介
MPLS借鑒了ATM的思想，用標簽交換來實作快速路由；MPLS是Multi-Protocol Label Switching的首字母縮寫，翻譯成中文就是多協議標簽交換；該協議是一種根據標簽轉發的技術；可承載在各種鏈路層協議之上（如，ppp、ATM、幀中繼、以太網）；同時它還能承載各種網路層報文，如ipv4、ipv6；采用無連接的控制平面，實作路由資訊的傳遞和標簽的分發，采用面向連接的資料平面，實作報文在建立的標簽轉發路徑上傳送；所以MPLS定義為2.5層，又稱2.5層技術；如下圖所示
提示：MPLS協議作業在二層之上三層之下的中間層，主要可以起到承上啟下的作用；即它能夠作業在很多二層協議之上，同時承載三層網路協議；
MPLS資料轉發程序
提示：如上圖所示，用戶A和用戶B通信，首先用戶A發送IP資料報文給用戶端的網關，用戶端網關收到資料報文以后，根據路由將對應資料包轉發給營運商的邊界網關，營運商的邊界路由器收到對應資料包會根據規則（lsp）給對應資料打上對應的標簽；隨后從對應的介面發送給下一個路由器；在營運商的內部路由器中傳輸用戶A的資料，路由器不再根據目標ip地址來查找路由表項進行資料轉發，而是根據資料包的標簽和LSP（標簽路徑）來進行轉發；最終資料包在來到營運商靠近B用戶側的邊界網關，此時邊界網關會根據標簽路徑表將對應資料中的標簽剝離，然后發送給用戶；從而實作用戶A和用戶B的資料通信；從上述程序來看，MPLS協議只關心對應資料包的標簽，根據標簽和結合標簽路徑表來轉發對應資料包；并不會關心對應目標ip地址是多少，是否有路由等；所以標簽的分發和lsp的建立就顯得尤為重要；
MPLS實際應用場景
隨著硬體技術的發展，ip轉發性能也大大提高，MPLS在這方面并未發揮優勢，但由于MPLS結合了IP網路強大的三層路由功能和二層網路高效的轉發機制，所以目前MPLS主要應用于VPN技術，TE（Traffic Engineering，流量工程）以及QOS（Quality of Service，服務質量）；
MPLS VPN應用
提示：基于MPLS的VPN通過LSP將私有網路的不同分支連接起來，形成一個統一的網路，用戶設備無需為VPN配置GRE、L2TP等隧道；網路延時也會被降至最低；
MPLS TE應用
提示：所謂流量工程是通過動態監控網路的流量和網路單元的負載，實時調整流量管理引數、路由引數和資源約束引數等；使網路運行狀態遷移到理想狀態，優化網路資源的使用，避免負載不均衡導致的擁塞；
MPLS報文結構
提示：Label欄位主要用于報文轉發，占20bits；exp(experimental Use)欄位主要用于承載IP報文中的優先級，占3位二進制，即有8個優先級別，0-7；S欄位表示堆疊底標志，占1位，即表明是否是最后一個標簽（MPLS標簽可以多層嵌套），如果是最后一個標簽，對應s欄位會置為1，否則為0；TTL欄位類似ip頭部的TTL欄位，用來防止報文環路，占8位二進制；
MPLS標簽
MPLS標簽有較短，定長，自由本地意義的特點，主要用于唯一標識去往同一目的地址的報文分組，標簽控制元件如下；
所謂標簽空間就是指標簽的取值范圍，不同取值范圍，對應作用不同；
0-15是特殊保留標簽
0：IPv4 Explicit NULL Label（顯示空標簽），表示該標簽必須被彈出（即標簽被剝掉），且報文的轉發必須基于IPv4，如果出節點分配給倒數第二跳節點的標簽值為0，則倒數第二跳LSR需要將值為0的標簽正常壓入報文標簽值頂部，轉發給最后一跳，最后一跳發現報文攜帶的標簽值為0，則將標簽彈出；
1：Router Alert Label 路由告警標簽，只有出現在非堆疊底時才有效，類似于IP報文的“Router Alert Option”欄位，節點收到Router Alert Label時，需要將其送往本地軟體模塊進一步處理，實際報文轉發由下一層標簽決定，如果報文需要繼續轉發，則節點需要將Router Alert Label壓回標簽堆疊頂；
2：IPv6 Explicit NULL Label，表示該標簽必須被彈出，且報文的轉發必須基于IPv6，如果出節點分配給倒數第二跳節點的標簽值為2，則倒數第二跳節點需要將值為2的標簽正常壓入報文標簽值頂部，轉發給最后一跳，最后一跳發現報文攜帶的標簽值為2，則直接將標簽彈出，
3：Implicit NULL Label（隱式空標簽），倒數第二跳LSR進行標簽交換時，如果發現交換后的標簽值為3，則將標簽彈出，并將報文發給最后一跳，最后一跳收到該報文直接進行IP轉發或下一層標簽轉發；
14：OAM Router Alert Label，MPLS OAM（Operation Administration & Maintenance）通過發送OAM報文檢測和通告LSP故障，OAM報文使用MPLS承載，OAM報文對于Transit LSR和倒數第二跳LSR（penultimate LSR）是透明的；
4-13、15：保留；
16～1023：靜態LSP和靜態CR-LSP（Constraint-based Routed Label Switched Path）共享的標簽空間；
1024及以上：LDP、RSVP-TE（Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering）、MP-BGP（MultiProtocol Border Gateway Protocol）等動態信令協議的標簽空間；
MPLS標簽多層嵌套
提示：對于一個LSR（標簽路由器）來說，只處理第一個（最頂層）標簽；多層標簽主要應用于MPLS VPN、MPLS TE；
提示：MPLS在二層以太網網路協議號中使用8847或8848，IP協議號為0800；
MPLS標簽轉發行為
提示：報文進入MPLS網路，Ingress LSR設備（LSR1）發現報文的目標ip地址與其關聯的標簽轉發表項，遂進行標簽壓入(push)操作，即打標簽；報文在MPLS網路中間進行轉發時，在LSR2上進行標簽交換（SWAP），設備只需要查詢標簽轉發表項即可完成報文轉發；報文在轉出MPLS網路時，LSR3發現自己為該LSP的最下游設備，完成彈出標簽（POP）操作，即剝離標簽，還原為最初資料包的結構；隨后通過ip路由轉發資料包到達用戶主機，完成資料通信；簡單講就是靠近發送端用戶的MPLS路由器為ingress，做標簽壓入操作，中間路由器做標簽交換操作，靠近接收端的MPLS路由器做標簽剝離操作；通過上述的壓入，交換，彈出標簽的操作來達到資料包的轉發；
LSP的建立
提示：LSP是Label Switched Path的縮寫，標簽交換路徑；即MPLS標簽路徑；作用類似ip路由表；LSP的建立有兩種方式，一種是靜態LSP，即通過手動方式為各個FEC分配標簽建立轉發隧道，類似靜態路由；一種是動態LSP，即通過標簽發布協議動態建立轉發隧道；動態標簽發布協議類似動態路由協議；
提示：標簽分配的方向和資料流的方向相反；
靜態LSP
提示：所謂靜態LSP是指不使用標簽發布協議，不需要互動控制報文，資源消耗較小；通過靜態方式建立的LSP不能根據網路拓撲變化動態調整，需要管理員手動調整；這種方式適用于拓撲結構簡單且穩定的小型網路；配置靜態LSP原則是上游節點出標簽等于下游節點入標簽；配置之前應提前規劃好，避免出錯；
動態LSP
提示：動態LSP是指通過標簽發布協議（LDP、MP-BGP、RSVP-TE）動態建立，類似動態路由協議；管理員只需要配置好標簽發布協議即可實作對FEC的分類、標簽的分配以及LSP的建立和維護；這種方式組網配置簡單，易于管理和維護，能夠根據網路拓撲變化而即時做出對應的調整；標簽由下游LSR分配，按從下游到上游的方向分發；
MPLS轉發程序
提示：Tunnel ID是為了給使用隧道的上層協議（如VPN、路由管理）提供統一的介面；系統自動為隧道分配一個ID，也稱為Tunnel ID；該Tunnel ID的長度為32位元，只是本地有效；NHLFE是下一跳標簽轉發表項；主要用于指導MPLS報文的轉發；該表項包括Tunnel ID、出介面、下一跳、出標簽、標簽操作型別等資訊；FEC到一組NHLFE的映射成為FTN（FEC-To-NHLFE）；FIB表中的Tunnel ID值不為0x0的表項，能夠獲取FTN的詳細資訊；FTN只在ingress存在；ILM,Incoming Label Map，入標簽映射；入標簽到一組下一跳標簽轉發表項的映射；包括Tunnel ID、入標簽、入介面、標簽操作型別等資訊；ILM在Transit節點的作用是將標簽和NHLFE做系結；通過標簽索引ILM表，就相當于使用目標ip地址查詢FIB，能夠得到所有的標簽轉發資訊；MPLS轉發就是通過上述三張表項進行資料轉發；
MPLS環路檢測機制
MPLS環路檢測可以通過IGP環路檢測機制，如RIP，OSPF等各自的防環機制；除此之外也可以通過TTL環路檢測，其中幀模式的MPLS中使用TTL，信元模式的MPLS中沒有TTL，使用LDP環路檢測機制；而LDP環路檢測機制中有兩種方式，一種是距離向量法，一種最大跳數法；
MPLS對TTL的處理模式
Uniform模式
提示：這種模式MPLS TTL和IP TTL相互同步，中間節點只處理MPLS TTL；這種模式不能隱藏MPLS網路真實網路節點數量；
Pipe模式
提示：這種模式MPLS TTL設定為固定值，IP TTL只在入和出節點分別減1；這種模式可以有效隱藏MPLS網路真實節點數量；
TTL環路檢測
提示：TTL環路檢測和IP環路檢測一樣，只要TTL值為0以后，對應資料包就被丟棄，從而有效阻斷環路繼續發生；
LDP環路檢測
距離向量法
提示：距離向量法，類似RIP里的水平分割，LSR發送標簽請求時，添加自己的LSR ID，如果收到的LSR發現了自己的LSR ID，對應資料包就直接丟棄；
最大跳數法
提示：最大跳數法是LSR發送標簽請求時，更新Hop Conut ，如果到達預定的最大值，對應資料包被丟棄；類似TTL，不同于TTL的是TTL是每經過一個路由器就減1，直到TTL值為0時對應資料包才被丟棄；而Hop Count是每經過一個路由器就加1，直到到達預定的最大值，對應資料包才會被丟棄；
作者：Linux-1874 出處：https://www.cnblogs.com/qiuhom-1874/ 本文著作權歸作者和博客園共有，歡迎轉載，但未經作者同意必須保留此段宣告，且在文章頁面明顯位置給出原文連接，否則保留追究法律責任的權利.轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/qita/538542.html
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