11.1、MPLS基本原理

前言
- MPLS（Multiprotocol Label Switching）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
- MPLS并不是一种业务或者应用，它实际上是一种隧道技术。这种技术不仅支持多种高层协议与业务，而且在一定程度上可以保证信息传输的安全性
传统IP转发
- 数据转发步骤
  - 当数据到达RTA时，路由器会检查目的网段和下一跳地址，然后再封装好传递给下一跳。RTB接收到数据包也要查看目的网段和下一跳，然后封装回去转发给下一跳，……
- 传统IP转发对于设备的要求还是很高的，当有大量业务开始进行传递时，对于路由器的查找速度的要求就比较高了
ATM信元转发
- 另一种网络
  - ATM
    - 通过信元转发，ATM需要维护的比路由表规模要小得多的标签表，能够提供比IP路由方式高得多的转发性能
  - 对于新型的MPLS在这种背景下产生了
MPLS标签转发
- MPLS利用标签转发，它的标签是处于链路层和IP层之间加一个头部，然后利用标签在MPLS域中进行转发
- 首先进入RTA，给RTA打上标签
- 然后传输给RTB，更换成RTB的标签
- 然后传输给RTC，更换成RTC的标签
- 最后传输到RTD，将标签弹出，然后发送给目的网段
MPLS v*n应用
- MPLS的应用很多，随着技术的发展，路由查找速度的瓶颈已经不是网络发展速度的瓶颈。慢慢MPLS技术应用的比较少了，但是它可以联合其他的技术进行使用
  - Eg
    - MPLS v*n的应用
MPLS网络模型
- MPLS域
  - Eg
    - RTA和RTB处于一个MPLS网络中
- LER
  - 标签边缘路由器
  - MPLS的边缘设备
- LSR
  - 标签交换路由器
  - MPLS域中间的设备
- LSP
  - 标签交换通道
  - RTA和RTD之间形成的隧道
MPLS控制平面和转发平面
- 控制平面
  - 路由协议
    - 底层协议
    - 通过底层协议来交换路由信息进行互通
    - Eg
      - OSPF
      - ISIS
  - IP路由表
    - 路由协议的学习来形成IP路由表
  - 标签交换协议
    - LDP
    - …
- 数据层面
  - IP转发表项
    - 通过IP路由表进行映射得出
  - 标签转发表项
    - 通过LDP协议进行学习得出
- 数据处理
  - 当数据报文接收到IP报文，到达设备时查找IP转发表项，来进行发送IP报文
  - 当接收到带标签报文，去查找标签转发表项，发送带标签的报文
帧格式MPLS
- MPLS有两种封装模式：帧模式和信元模式（ATM采用MPLS信元模式封装，本课程不涉及）。帧模式封装是直接在报文的二层头部和三层头部之间增加一个MPLS标签头。以太网、PPP采用这种封装模式
MPLS报文头部
- 参数
  - MPLS头部长度为32bits
  - LABEL
    - 该标签用于报文转发，长度为20bits
  - EXP
    - 通常用来承载IP报文中的优先级，长度为3bits
  - S
    - 表识栈底用来表明是否是最后一个标签（MPLS标签可多层嵌套），长度为1bit
    - 当S=1时，代表该标签为栈底最后一个标签
  - TTL
    - 类似IP头部的TTL，用来防止报文环路等，长度为8bits
MPLS标签嵌套
- PID标识二层头部后面的报文类型
  - Ethernet 0x0800 IPv4 0x8847 MPLS单播报文0x8848 MPLS多播报文
  - PPP 0x8021 IPv4 0x8281 MPLS单播报文0x8283 MPLS多波报文
- S标识是否是栈底标签
  - S=1
    - 代表该标签为栈底最后一个标签
- 标签嵌套应用
  - MPLS v*n
  - MPLS TE
FEC与NHLFE
- FEC（Forwarding Equivalence Class）转发等价类，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LSR以相同方式处理
  - FEC可以根据地址、业务类型、Qos等要素进行划分。
    - 例如
      - 在传统的采用最长匹配算法的IP转发中，到同一条路由的所有报文就是一个转发等价类
      - 传统过程中我的目的地址是5.5.5.5/32，另有一批报文的目的地址是5.5.5.5/32。对这一组报文有相同的目的地地址，就可以认为这是转发等价类
  - 在传统采用IP报文进行转发时，到达同一条路由的所有报文就是转发等价类，这就是FEC
- NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry）：进行标签转发时用到，NHLFE包含这样一些基本信息：
  - 报文的下一跳
  - 如何进行标签操作（包括压入新的标签，弹出标签，用新的标签替换原有的标签等操作）
  - NHLFE还可能包含一些其他信息，如发送报文使用的链路层封装等
FEC与NHLFE举例
- FEC：Forwarding Equivalence Classes（转发等价类）
- NHLFE：Next Hop Label Forwarding Entry（下一跳标签转发表项）
- 查看配置
  - FEC
    - 表项的FEC是10.2.0.0/24
  - 下一条
    - 10.1.1.2
  - 出标签
  - 进标签
  - 出接口
  - 标签的动作
    - PUSH
      - 压入
MPLS转发过程-Ingress LER（RTA）
- 在Ingress，通过查询FIB表和NHLFE表指导报文的转发
- 对于MPLS域，分为三个节点
  - 入节点
    - RTA
  - 出节点
    - RTD
  - 传输网段
- 步骤
  - 1、主机的IP报文的目的地址，传输到的是10.2.0.0/24的网段
    - FEC
      - 10.2.0.0
  - 2、报文到达RTA，查询FIB，去查找tunnel ID
    - FIB
      - 转发表项
    - Tunnel ID
      - 决定下一步要通过哪个表项转发。如果不为0，则通过标签表项发送，然后通过NHLFE去指导报文的转发
        
        路由表项
        
        标签转发表项
  - 上图可以看到下一跳操作
    - 出接口
      - S0
    - 标签操作
      - 压入1030标签
MPLS转发过程-LSR（RTB）
- 在Transit，通过查询ILM（Incoming Label Map）表和NHLFE表指导MPLS报文的转发
- ILM表
  - 下一跳和NHLFE作为一个映射表
- 步骤
  - 数据包到达RTA，RTA查找到表项打上标签1030，然后到达RTB
    - RTB的入方向是1030，下一跳是10.1.1.6，出接口是S3
    - 处理动作
      - 将新标签代替旧标签
MPLS转发过程-LSR（RTC）
- 报文到达RTC，对于RTC来讲
  - 入标签
    - 也是1030
  - 下一跳
    - 10.1.1.10
  - 出接口
    - S3
- 处理动作
  - 将新标签代替旧标签
MPLS转发过程-Egress LER（RTD）
- 在Egress，通过查询ILM表指导MPLS报文的转发
- RTD处理动作
  - 入标签
    - 1032
  - 下一跳
    - 10.2.0.2
  - 出接口
    - 无
    - RTD的出接口已经超出MPLS域，已经到达MPLS的边缘
  - 标签处理动作
    - 弹出
- RTD将标签弹出，然后查找IP路由表，按照普通的IP报文进行转发
思考题
- 1、MPLS头部哪个字段用于标示栈底标签（C）
  - A、Label
  - B、EXP
  - C、S
    - 当使用标签嵌套时，可以通过S=1来判断该标签是最后一个标签
  - D、TTL
- 2、基于MPLS标签转发报文时，数据包可能需要执行的动作有哪些（A、B、C）
  - A、Push
  - B、Pop
  - C、Swap
    - 切换
  - D、Switch
总结
- MPLS产生背景
  - 路由转发速度制约网络发展，产生了MPLS
- MPLS基本概念
  - 运用标签转发
- MPLS报文格式
  - 封装在二层和三层头部之间
- MPLS转发原理
  - 查找相应表项进行转发、每一步如何进行、处理标签方法

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11.1、MPLS基本原理

11.1、MPLS基本原理

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