HCIE Routing&Switching之MPLS基礎理論
技術背景
90年代初期，網際網路流量快速增長，而由於當時硬體技術的限制，路由器採用最長匹配演演算法逐跳轉發封包，成為網路資料轉發的瓶頸；於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協定作為標準的協定；MPLS採用短而定長的標籤進行資料轉發，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更多用於營運商做MPLS VPN，流量工程和服務質量）；而且MPLS可以擴充套件到多種網路協定；
傳統IP轉發示意圖
提示：如上圖所示，使用者A想要和使用者B通訊，首先封包傳送R1以後，路由器會根據封包的目標ip地址進行路由查詢，從而實現將封包最終轉發到使用者B；這種ip轉發採用最長匹配原則，需要多次查表，演演算法效率不高；況且當時路由器多采用CPU進行轉發處理，這意味著來一個封包都會上交給cpu處理，很顯然這會額外帶來效能上的開銷；從而影響路由器效能；
ATM轉發示意圖
提示：如上圖所示，使用者A想要和使用者B通訊，首先使用者A將封包傳送給R1，R1收到使用者封包，通過檢視封包攜帶的標籤，從而在ATM轉發表裡查詢對應標籤表項，然後將對應封包，從對應介面轉發出去並打上對應標籤；這種ATM轉發採用唯一匹配，一次查表，很顯然比上述的ip轉發效率要高；但是ATM控制指令複雜，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詢，改為簡單快速的標籤交換；即通過標籤交換來實現封包的轉發；其次ATM將具有全域性意義的路由表改為只有本地意義的標籤表；
MPLS簡介
MPLS借鑑了ATM的思想，用標籤交換來實現快速路由；MPLS是Multi-Protocol Label Switching的首字母縮寫，翻譯成中文就是多協定標籤交換；該協定是一種根據標籤轉發的技術；可承載在各種鏈路層協定之上（如，ppp、ATM、幀中繼、乙太網）；同時它還能承載各種網路層報文，如ipv4、ipv6；採用無連線的控制平面，實現路由資訊的傳遞和標籤的分發，採用面向連線的資料平面，實現報文在建立的標籤轉發路徑上傳送；所以MPLS定義為2.5層，又稱2.5層技術；如下圖所示
提示：MPLS協定工作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；即它能夠工作在很多二層協定之上，同時承載三層網路協定；
MPLS資料轉發過程
提示：如上圖所示，使用者A和使用者B通訊，首先使用者A傳送IP資料包文給使用者端的閘道器，使用者端閘道器收到資料包文以後，根據路由將對應封包轉發給營運商的邊界閘道器，營運商的邊界路由器收到對應封包會根據規則（lsp）給對應資料打上對應的標籤；隨後從對應的介面傳送給下一個路由器；在營運商的內部路由器中傳輸使用者A的資料，路由器不再根據目標ip地址來查詢路由表項進行資料轉發，而是根據封包的標籤和LSP（標籤路徑）來進行轉發；最終封包在來到營運商靠近B使用者側的邊界閘道器，此時邊界閘道器會根據標籤路徑表將對應資料中的標籤剝離，然後傳送給使用者；從而實現使用者A和使用者B的資料通訊；從上述過程來看，MPLS協定只關心對應封包的標籤，根據標籤和結合標籤路徑表來轉發對應封包；並不會關心對應目標ip地址是多少，是否有路由等；所以標籤的分發和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轉發效能也大大提高，MPLS在這方面並未發揮優勢，但由於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主要應用於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：基於MPLS的VPN通過LSP將私有網路的不同分支連線起來，形成一個統一的網路，使用者裝置無需為VPN設定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；使網路執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欄位主要用於報文轉發，佔20bits；exp(experimental Use)欄位主要用於承載IP報文中的優先順序，佔3位二進位制，即有8個優先順序別，0-7；S欄位表示棧底標誌，佔1位，即表明是否是最後一個標籤（MPLS標籤可以多層巢狀），如果是最後一個標籤，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，佔8位元二進位制；
MPLS標籤
MPLS標籤有較短，定長，自由本地意義的特點，主要用於唯一標識去往同一目的地址的報文分組，標籤控制元件如下；
所謂標籤空間就是指標籤的取值範圍，不同取值範圍，對應作用不同；
0-15是特殊保留標籤
0：IPv4 Explicit NULL Label（顯示空標籤），表示該標籤必須被彈出（即標籤被剝掉），且報文的轉發必須基於IPv4。如果出節點分配給倒數第二跳節點的標籤值為0，則倒數第二跳LSR需要將值為0的標籤正常壓入報文標籤值頂部，轉發給最後一跳。最後一跳發現報文攜帶的標籤值為0，則將標籤彈出；
1：Router Alert Label 路由告警標籤，只有出現在非棧底時才有效。類似於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組進一步處理。實際報文轉發由下一層標籤決定。如果報文需要繼續轉發，則節點需要將Router Alert Label壓回標籤棧頂；
2：IPv6 Explicit NULL Label，表示該標籤必須被彈出，且報文的轉發必須基於IPv6。如果出節點分配給倒數第二跳節點的標籤值為2，則倒數第二跳節點需要將值為2的標籤正常壓入報文標籤值頂部，轉發給最後一跳。最後一跳發現報文攜帶的標籤值為2，則直接將標籤彈出。
3：Implicit NULL Label（隱式空標籤），倒數第二跳LSR進行標籤交換時，如果發現交換後的標籤值為3，則將標籤彈出，並將報文發給最後一跳。最後一跳收到該報文直接進行IP轉發或下一層標籤轉發；
14：OAM Router Alert Label，MPLS OAM（Operation Administration & Maintenance）通過傳送OAM報文檢測和通告LSP故障。OAM報文使用MPLS承載。OAM報文對於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）共用的標籤空間；
1024及以上：LDP、RSVP-TE（Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering）、MP-BGP（MultiProtocol Border Gateway Protocol）等動態信令協定的標籤空間；
MPLS標籤多層巢狀
提示：對於一個LSR（標籤路由器）來說，只處理第一個（最頂層）標籤；多層標籤主要應用於MPLS VPN、MPLS TE；
提示：MPLS在二層乙太網網路協定號中使用8847或8848，IP協定號為0800；
MPLS標籤轉發行為
提示：報文進入MPLS網路，Ingress LSR裝置（LSR1）發現報文的目標ip地址與其關聯的標籤轉發表項，遂進行標籤壓入(push)操作，即打標籤；報文在MPLS網路中間進行轉發時，在LSR2上進行標籤交換（SWAP），裝置只需要查詢標籤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的最下游裝置，完成彈出標籤（POP）操作，即剝離標籤，還原為最初封包的結構；隨後通過ip路由轉發封包到達使用者主機，完成資料通訊；簡單講就是靠近傳送端使用者的MPLS路由器為ingress，做標籤壓入操作，中間路由器做標籤交換操作，靠近接收端的MPLS路由器做標籤剝離操作；通過上述的壓入，交換，彈出標籤的操作來達到封包的轉發；
LSP的建立
提示：LSP是Label Switched Path的縮寫，標籤交換路徑；即MPLS標籤路徑；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分配標籤建立轉發隧道，類似靜態路由；一種是動態LSP，即通過標籤釋出協定動態建立轉發隧道；動態標籤釋出協定類似動態路由協定；
提示：標籤分配的方向和資料流的方向相反；
靜態LSP
提示：所謂靜態LSP是指不使用標籤釋出協定，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；這種方式適用於拓撲結構簡單且穩定的小型網路；設定靜態LSP原則是上游節點出標籤等於下游節點入標籤；設定之前應提前規劃好，避免出錯；
動態LSP
提示：動態LSP是指通過標籤釋出協定（LDP、MP-BGP、RSVP-TE）動態建立，類似動態路由協定；管理員只需要設定好標籤釋出協定即可實現對FEC的分類、標籤的分配以及LSP的建立和維護；這種方式組網設定簡單，易於管理和維護，能夠根據網路拓撲變化而即時做出對應的調整；標籤由下游LSR分配，按從下游到上游的方向分發；
MPLS轉發過程
提示：Tunnel ID是為了給使用隧道的上層協定（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是下一跳標籤轉發表項；主要用於指導MPLS報文的轉發；該表項包括Tunnel ID、出介面、下一跳、出標籤、標籤操作型別等資訊；FEC到一組NHLFE的對映成為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，入標籤對映；入標籤到一組下一跳標籤轉發表項的對映；包括Tunnel ID、入標籤、入介面、標籤操作型別等資訊；ILM在Transit節點的作用是將標籤和NHLFE做繫結；通過標籤索引ILM表，就相當於使用目標ip地址查詢FIB，能夠得到所有的標籤轉發資訊；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以後，對應封包就被丟棄，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裡的水平分割，LSR傳送標籤請求時，新增自己的LSR ID，如果收到的LSR發現了自己的LSR ID，對應封包就直接丟棄；
最大跳數法
提示：最大跳數法是LSR傳送標籤請求時，更新Hop Conut ，如果到達預定的最大值，對應封包被丟棄；類似TTL，不同於TTL的是TTL是每經過一個路由器就減1，直到TTL值為0時對應封包才被丟棄；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，對應封包才會被丟棄；