什么是MPLS？

MPLS的基本概念有哪些？

想了解MPLS是什么，首先要知道MPLS的基本概念，下面介绍几个核心概念。

FEC

MPLS是一种分类转发技术，它将具有相同转发处理方式的数据分组归为一类，称为FEC（Forwarding Equivalence Class，转发等价类）。MPLS对相同FEC的数据分组采取完全相同的处理方式。

FEC的划分方式非常灵活，可以是源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议种类、业务类型等要素的任意组合。例如，在采用最长匹配算法的IP路由转发中，去往同一个目的地址的所有报文就是一个FEC。

MPLS标签

MPLS标签是一个简短且长度固定的标识符，它只具有本地意义，用于唯一标识一个分组所属的FEC。在某些情况下（例如，进行负载分担）对应一个FEC可能会有多个MPLS标签，但是在一台设备上，一个MPLS标签只能代表一个FEC。

MPLS标签长度为4个字节，封装结构如下图所示。

MPLS标签封装结构

MPLS标签共有4个域：

• Label：20bit，标签值域。

• TC：3bit，流量等级（Traffic Class），又名Exp。通常用做CoS（Class of Service，服务分类）。

• S：1bit，栈底标识（Bottom of Stack）。MPLS支持多层标签，即标签嵌套。BoS值为1时表明为最底层标签。

• TTL：8bit，和IP分组中的TTL（Time To Live）意义相同。

MPLS标签封装在链路层和网络层之间，它在报文分组中的封装位置如下图所示。MPLS标签能够被任意的链路层协议所支持。

MPLS标签的封装位置

MPLS标签栈（Label stack）也称为MPLS多层标签，是指MPLS标签的排序集合，如下图所示。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。MPLS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。

MPLS标签栈

标签操作

MPLS标签的基本操作包括标签压入（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。

标签基本操作

MPLS标签的基本操作详解如下：

• Push：指当IP报文进入MPLS域（由一系列连续的标签交换路由器LSR构成的网络区域称为MPLS域）时，MPLS边界设备在报文二层首部和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报文的标签去掉；或者MPLS倒数第二跳的节点处去掉栈顶标签，减少标签栈中的标签数目。

在最后一跳的节点上，MPLS标签实际已没有使用价值。这种情况下，可以利用PHP（Penultimate Hop Popping，倒数第二跳弹出）特性，在倒数第二跳的节点上就将标签弹出，这样最后一跳的节点可直接进行IP转发或者下一层标签转发，从而减少最后一跳的处理负担。

PHP特性是通过分配特殊的标签值3来实现的。标签值3表示隐式空标签（implicit-null），这个值不会出现在标签栈中。当倒数第二跳节点发现自己被分配了标签值3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，使最后一跳节点直接进行IP转发或下一层标签转发。

LSP

LSP（Label Switched Path，标签交换路径）是指属于同一FEC的报文（即封装了MPLS标签的报文）在MPLS域内转发所经过的路径，如下图所示。

LSP示意图

LSP是一条从入口到出口的单向通道，包含以下角色：

• LSP的起始节点称为入节点（Ingress），一条LSP只能有一个Ingress。Ingress的主要功能是给IP报文压入一个新的MPLS标签，将其封装成MPLS报文。

• 位于LSP中间的节点称为中间节点（Transit），一条LSP可能有0个或多个Transit。Transit的主要功能是查找标签转发信息表，通过标签交换完成MPLS报文的转发。

• LSP的末尾节点称为出节点（Egress），一条LSP只能有一个Egress。Egress的主要功能是弹出标签，恢复成原来的报文进行相应的转发。

MPLS网络是什么样的？

MPLS网络的典型结构如下图所示。

MPLS网络结构示意图

MPLS网络主要包含以下要素：

• 支持MPLS功能的网络设备称为LSR（Label Switching Router，标签交换路由器），它是MPLS网络的基本组成单元。由一系列连续的LSR构成的网络区域称为MPLS域。
• MPLS域内部的LSR称为Core LSR，如果一个LSR的相邻节点都运行MPLS，则该LSR就是Core LSR。
• 位于MPLS域边缘、连接其它网络的LSR称为LER（Label Edge Router，标签边缘路由器），如果一个LSR有一个或多个不运行MPLS的相邻节点，那么该LSR就是LER。

在MPLS网络中，任何两个LER之间都可以建立LSP，用来转发进入MPLS域的报文，中间可途径若干个Core LSR。因此，一条LSP的Ingress和Egress都是LER，而Transit是Core LSR。

MPLS有什么价值？

MPLS在当前的IP网络中得到了广泛的应用，其主要价值体现在以下几方面：

• MPLS完全兼容IP网络，相当于在IP网络的基础上进行改进，建设成本低，易于推广。
• MPLS的控制平面和转发平面是分开的，在控制平面依靠IP路由来建立LSP，MPLS可以借用IP路由的各种灵活性、可靠性机制；在转发平面通过LSP来传输报文，是面向连接的，MPLS可以有效地实施流量工程和QoS。
• MPLS是一种与链路层协议无关的技术，它同时支持帧中继、ATM、PPP和SDH等协议，保证了多种网络的互通，兼容性非常好。
• MPLS网络支持层次化的拓扑结构，适合在IP骨干网中部署。
• MPLS标签栈在理论上可支持标签的无限嵌套，正好契合了VPN业务对公、私网标签多层封装的要求，因此MPLS为VPN业务的蓬勃发展提供了强有力的支持。

MPLS是如何建立LSP的？

MPLS是一种依靠标签交换来指导数据报文转发的技术，因此，LSP的建立过程实际上就是沿途LSR为特定FEC确定标签的过程。

MPLS标签由下游分配，按照从下游到上游的方向进行分发。如下图所示，下游LSR根据IP路由的目的地址进行FEC划分，并将标签分配给对应指定目的地址的FEC，再将标签发送给上游LSR，触发上游LSR建立标签转发信息表，最终使一系列LSR形成一条LSP。

LSP的建立过程示意图

LSP按建立方式可以分为静态LSP和动态LSP两种：

• 静态LSP是管理员通过手工为各个FEC分配标签而建立的LSP。手工分配标签需要遵循的原则是：上游LSR出方向的标签的值等于下游LSR入方向的标签值。
• 动态LSP是各LSR通过标签发布协议动态的生成和发布标签而建立的LSP，下游LSR向上游LSR发送标签时需要依赖IP路由。MPLS支持多种标签发布协议，例如：LDP（Label Distribution Protocol，标签分发协议）、RSVP-TE（Resource Reservation Protocol Traffic Engineering，资源预留协议）和MP-BGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol，多协议边界网关协议）。

LDP

LDP是MPLS体系中非常重要的一种标签发布控制协议，负责FEC的分类、MPLS标签分配以及LSP的动态建立和维护等操作，规定了标签分发过程中的各种消息以及相关处理过程。通过LDP协议，LSR可以把网络层的路由信息直接映射到数据链路层的LSP交换路径上，实现在网络层动态建立LSP。

LDP具有组网和配置简单、支持路由拓扑驱动建立LSP及支持大容量LSP等优点。相较于手工配置的静态LSP，LDP也能够极大地减轻维护人员的工作量，减少配置错误的产生。

LDP有以下四种会话消息类型：

• 发现（Discovery）消息：用于通告和维护网络中LSR的存在；
• 会话（Session）消息：用于建立、维护和终止LDP对等体之间的会话，包括Initialization消息、Keepalive消息等；
• 通告（Advertisement）消息：用于创建、改变和删除FEC的标签映射；
• 通知（Notification）消息：用于提供建议性的消息和差错通知。

为保证LDP消息的可靠发送，除了发现消息使用UDP外，LDP的会话消息、通告消息和通知消息都使用TCP传输。

LDP会话是由两台LSR之间交换Hello消息触发建立的，以下图为例，介绍LDP会话建立过程。

LDP会话建立过程

1. 两个LSR之间互相发送Hello消息。Hello消息中携带传输地址，双方使用传输地址建立LDP会话。首先传输地址较大的一方将作为主动方，发起建立TCP连接。如图，LSR A作为主动方发起建立TCP连接，LSR B作为被动方等待对方发起连接。
2. TCP连接建立成功后，由主动方LSR A发送Initialization消息，协商建立LDP会话的相关参数，包括LDP协议版本、标签分发方式、Keepalive保持定时器的值、最大PDU长度和标签空间等。
3. 被动方LSR B收到Initialization消息后，如果不能接受相关参数，则发送Notification消息终止LDP会话的建立；如果被动方LSR B能够接受相关参数，则发送Initialization消息，同时发送Keepalive消息给主动方LSR A。
4. 主动方LSR A收到Initialization消息后，如果不能接受相关参数，则发送Notification消息给被动方LSR B终止LDP会话的建立；如果能够接受相关参数，则发送Keepalive消息给被动方LSR B。

当双方都收到对端的Keepalive消息后，LDP会话建立成功。

RSVP与RSVP-TE

RSVP是为Integrated Service Model（集成服务模型）而设计的，用于在访问Internet应用程序时获得不同的服务质量(QoS)。它通过IPv4或IPv6运行，并由接收端发起资源预留请求，在一条传输路径的各节点上进行资源预留。RSVP不是路由协议，它的唯一工作是通告和维护网络中的预留资源。RSVP由接收端使用路径消息（Path message）申请资源，由发送端沿路径消息的反向路径，通过预留消息（Resv message）完成资源分配和资源预留。

RSVP-TE是针对流量工程扩展的资源预留协议，基于RSVP进行了扩展，在Path消息中引入Label_Request对象用于发起标签请求，在Resv消息中引入Label对象用于标签分配，从而允许建立MPLS LSP，并考虑了带宽和亲和属性等路径约束信息，实现网络流量的路径规划和调优。

RSVP-TE的LSP建立过程

MPLS报文转发涉及哪些基本概念？

MPLS转发过程涉及FIB（Forwarding Information Base，转发信息表）、NHLFE（Next Hop Lable Forwarding Entry，下一跳标签转发表项）、ILM（Incomming Lable Map，入标签映射）等几个表项的查询，它们之间通过Tunnel ID关联。

Tunnel ID

为了给使用隧道的上层应用（如VPN、路由管理）提供统一的接口，系统自动为各种隧道分配了一个ID，称为Tunnel ID，长度为32bit，仅具有本地意义，即只需要在本地设备上唯一。

FIB、LIB与LFIB

FIB表用于在IP网络中指导IP报文转发，是由从RIB（Routing Information Base，路由信息表）中优选出的路由信息生成的，包含目的网段、出接口、下一跳IP地址、路由标记、路由优先级等信息。

LIB（Label Information Base，标签信息表）与RIB类似，保存着每个标签与对应FEC的映射关系，用来管理MPLS标签信息，包含FEC网段、入标签、出标签、分发出标签的下游节点等元素。

LFIB（Label Forwarding Information Base，标签转发信息表）与FIB类似，用于在MPLS网络中指导MPLS报文转发，是由从LIB中提取出的必要信息生成的，除了包含目的网段、出接口、下一跳IP地址，还包括入标签和出标签等元素。

NHLFE

NHLFE用于指导MPLS报文的转发，包含Tunnel ID、出接口、下一跳、出标签、标签操作类型等信息，能够根据出标签找到对应的出接口和下一跳，进行报文转发。FEC与NHLFE的映射称为FTN（FEC-to-NHLFE），通过查看FIB表中Token值不为0x0的表项，能够获得FTN的详细信息。FTN只在Ingress存在。

ILM

ILM是入标签与NHLFE的映射，它使得本地设备的入标签和出标签、Tunnel ID建立对应的对应关系。ILM在Transit节点的作用是将标签和NHLFE绑定。通过标签索引ILM表，就相当于使用目的IP地址查询FIB，能够得到所有的标签转发信息。

报文是如何通过LSP转发的？

以支持PHP特性的LSP为例，MPLS报文在该LSP中的基本转发过程描述如下：

1. 入节点Ingress收到目的地址为192.168.1.1/24的IP报文，首先通过FIB表检查该目的IP地址对应的Tunnel ID值是否为0x0。若是，按IP转发流程处理；若不是，则进入MPLS转发流程，依据此Tunnel ID找到对应NHLFE中指示的出接口、下一跳、出标签（假设为Y）和标签操作类型等信息，压入标签Y（Push），封装为MPLS报文，并按NHLFE指示的出接口和下一跳继续转发。

2. Transit收到该MPLS报文，根据标签Y查询ILM表中对应的Tunnel ID，并根据此Tunnel ID在NHLFE中找到进行下一跳转发所需要的出接口、下一跳、出标签、标签操作类型（标签交换，Swap），将标签Y换成标签X后继续转发。

3. 倒数第二跳的Transit收到该MPLS报文，继续上述查询动作，此时由于为Egress分给它的标签值为3（特殊标签，参见上文“MPLS标签”），所以进行PHP操作，弹出标签X（Pop）并继续将IP报文转发给Egress。

4. Egress节点收到该IP报文，直接根据对应的IP路由表将其转发到目的地192.168.1.1/24。

报文通过LSP转发的示意图