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?MPLS概述

2021-04-29 15:56:47 422

MPLS (Multiprotocol Label Switching)多協(xié)議標簽交換是一種IP骨干網(wǎng)技術(shù)。MPLS 位于TCP/IP協(xié)議棧中的鏈路層和網(wǎng)絡(luò )層之間,用于向IP層提供連接服務(wù),同時(shí)又從鏈路層得到服務(wù)。

MPLS在無(wú)連接的IP網(wǎng)絡(luò )上引入面向連接的標簽交換概念,將第三層路由技術(shù)和第二層交換技術(shù)相結合,充分發(fā)揮了IP路由的靈活性和二層交換的簡(jiǎn)捷性。多協(xié)議指的是可以支持多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議(IPv6、IPX、CLNP等),所以MPLS并不是一種業(yè)務(wù)或者應用,它是一種隧道技術(shù),它支持多種高層協(xié)議與業(yè)務(wù),而且在一定程度上可以保證數據傳輸的安全性。

1.MPLS的產(chǎn)生背景

傳統的IP技術(shù)簡(jiǎn)單,且部署成本低,但由于硬件技術(shù)存在限制,基于最長(cháng)匹配算法的IP技術(shù)必須使用軟件查找路由,轉發(fā)性能低下。為了適應網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展,ATM (Asynchronous Transfer Mode)異步傳輸模式技術(shù)應運而生。ATM采用定長(cháng)標簽(即信元),并且只需要維護比路由表規模小得多的標簽表,能夠提供比IP路由方式高得多的轉發(fā)性能。MPLS結合了IP與ATM的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生。

2.MPLS基本網(wǎng)絡(luò )結構

MPLS基于標簽進(jìn)行轉發(fā)。

標簽交換路由器LSR(Label Switching Router):進(jìn)行MPLS標簽交換和報文轉發(fā)的網(wǎng)絡(luò )設備。

MPLS域(MPLS Domain):由LSR構成的網(wǎng)絡(luò )區域。

邊緣路由器LER(Label Edge Router):位于MPLS域邊緣、連接其他網(wǎng)絡(luò )的LSR。

核心LSR(Core LSR):區域內部的LSR。

IP報文進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò )時(shí),MPLS入口的LER會(huì )分析IP報文的內容并且為這些IP報文添加合適的標簽,所有MPLS網(wǎng)絡(luò )中的LSR根據標簽轉發(fā)數據。當該IP報文離開(kāi)MPLS網(wǎng)絡(luò )時(shí),標簽由出口LER彈出。IP報文在MPLS網(wǎng)絡(luò )中經(jīng)過(guò)的路徑稱(chēng)為標簽交換路徑LSP(Label Switched Path)。LSP是一個(gè)單向路徑,與數據流的方向一致。


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如上圖,LSP的入口LER稱(chēng)為入節點(diǎn)(Ingress);位于LSP中間的LSR稱(chēng)為中間節點(diǎn)(Transit);LSP的出口LER稱(chēng)為出節點(diǎn)(Egress)。一條LSP可以有0個(gè)、1個(gè)或多個(gè)中間節點(diǎn),但有且只有一個(gè)入節點(diǎn)和一個(gè)出節點(diǎn)。根據LSP的方向,MPLS報文由Ingress發(fā)往Egress,則Ingress是Transit的上游節點(diǎn),Transit是Ingress的下游節點(diǎn)。同理,Transit是Egress上游節點(diǎn),Egress是Transit的下游節點(diǎn)。

3.轉發(fā)等價(jià)類(lèi)FEC

MPLS將具有相同特征的報文歸為一類(lèi),稱(chēng)為轉發(fā)等價(jià)類(lèi)FEC(Forwarding Equivalence Class)。屬于相同FEC的報文在轉發(fā)過(guò)程中被LSR以相同方式處理。

FEC可以根據源地址、目的地址、源端口、目的端口、VPN等要素進(jìn)行劃分。例如,在傳統的采用最長(cháng)匹配算法的IP轉發(fā)中,到同一條路由的所有報文就是一個(gè)轉發(fā)等價(jià)類(lèi)。

4. MPLS的體系結構

MPLS的體系結構如下圖所示,它由控制平面(Control Plane)和轉發(fā)平面(Forwarding Plane)組成。


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1)控制平面:負責產(chǎn)生和維護路由信息以及標簽信息??刂破矫姘酚尚畔⒈鞷IB、標簽分發(fā)協(xié)議LDP、標簽信息表LIB。

-路由信息表RIB:由IP路由協(xié)議生成,用于選擇路由。

-標簽分發(fā)協(xié)議LDP:負責標簽的分配、標簽轉發(fā)信息表的建立、標簽交換路徑的建立/拆除等工作。

-標簽信息表LIB:由標簽分發(fā)協(xié)議生成,用于管理標簽信息。

2)轉發(fā)平面(數據平面):負責普通IP報文的轉發(fā)以及帶MPLS標簽報文的轉發(fā)。轉發(fā)平面包括轉發(fā)信息表FIB、標簽轉發(fā)信息表LFIB。

-轉發(fā)信息表FIB:從RIB提取必要的路由信息生成,負責普通IP報文的轉發(fā)。

-標簽轉發(fā)信息表LFIB:由標簽分發(fā)協(xié)議LDP在LSR上建立LFIB,負責帶MPLS標簽報文的轉發(fā)。

5. MPLS的報文結構


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MPLS報文與普通的IP報文相比增加了MPLS報頭信息(4個(gè)字節),MPLS報頭封裝在鏈路層和網(wǎng)絡(luò )層之間,可以支持任意的鏈路層協(xié)議。

Label:標簽值域,20bit。是一個(gè)短而定長(cháng)的、只具有本地意義的標識符,用于唯一標識一個(gè)分組所屬的FEC。

Exp:用于擴展,3bit。標識MPLS 的優(yōu)先級,現在通常用做CoS(Class of Service),當設備阻塞時(shí),優(yōu)先發(fā)送優(yōu)先級高的報文。

S:棧底標識,1bit。MPLS支持多層標簽,即標簽嵌套。S值為1時(shí)表明為最底層標簽。

TTL:8bit。與IP報文中的TTL(Time To Live)意義相同,防止報文環(huán)路。

6.MPLS對TTL的處理模式

MPLS 對TTL的處理除了用于防止產(chǎn)生路由環(huán)路外,也用于實(shí)現Traceroute 功能。

RFC3443 中定義了兩種MPLS 對TTL 的處理模式:Uniform(統一模式) 和Pipe(管道模式)。

1)Uniform模式:IP報文經(jīng)過(guò)MPLS網(wǎng)絡(luò )時(shí),在入節點(diǎn)IP TTL減1映射到MPLS TTL字段,此后報文在MPLS網(wǎng)絡(luò )中按照標準的TTL處理方式處理。在出節點(diǎn)將MPLS TTL減1后映射到IP TTL字段。(此方法可知數據包經(jīng)過(guò)了幾跳,缺省情況下,MPLS 對TTL 的處理模式為Uniform)


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2)Pipe模式:IP TTL只在入節點(diǎn)和出節點(diǎn)分別減1,而MPLS TTL字段為固定值,按照標準的TTL處理方式處理。(在MPLS VPN應用中,出于網(wǎng)絡(luò )安全的考慮,需要隱藏MPLS骨干網(wǎng)絡(luò )的結構,這種情況下,對于私網(wǎng)報文,Ingress上使用Pipe模式。)


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7.標簽交換路徑LSP的建立

MPLS需要為報文事先分配好標簽,建立一條LSP,才能進(jìn)行報文轉發(fā)。LSP分為靜態(tài)LSP和動(dòng)態(tài)LSP兩種。

1)靜態(tài)LSP:用戶(hù)通過(guò)手工方式為各個(gè)轉發(fā)等價(jià)類(lèi)分配標簽建立轉發(fā)隧道。

特點(diǎn):

a)靜態(tài)LSP各節點(diǎn)上不能相互感知到整個(gè)LSP的情況,因此靜態(tài)LSP是一個(gè)本地的概念;

b)靜態(tài)LSP不使用標簽發(fā)布協(xié)議,不需要交互控制報文,因此資源消耗小,適用于拓撲結構簡(jiǎn)單并且穩定的小型網(wǎng)絡(luò );

c)靜態(tài)LSP不能根據拓撲變化調整,需要管理員干預。

2)動(dòng)態(tài)LSP:通過(guò)標簽發(fā)布協(xié)議動(dòng)態(tài)建立轉發(fā)隧道。

特點(diǎn):

a)動(dòng)態(tài)LSP通過(guò)LDP協(xié)議實(shí)現對FEC的分類(lèi)、對標簽的分配以及LSP的建立和維護;

b)動(dòng)態(tài)LSP組網(wǎng)配置簡(jiǎn)單,易于管理和維護;

c)動(dòng)態(tài)LSP能及時(shí)反映網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)。

8.MPLS的基本轉發(fā)過(guò)程

在MPLS基本轉發(fā)過(guò)程中會(huì )涉及到標簽壓入(Push)、標簽交換(Swap)和標簽彈出(Pop)等動(dòng)作。

Push:當IP報文進(jìn)入MPLS域時(shí),MPLS邊界設備在報文二層首部和IP首部之間插入一個(gè)新標簽;或者M(jìn)PLS中間設備根據需要,在標簽棧頂增加一個(gè)新的標簽(即標簽嵌套封裝)。

Swap:當報文在MPLS域內轉發(fā)時(shí),根據標簽轉發(fā)表,用下一跳分配的標簽,替換MPLS報文的棧頂標簽。

Pop:當報文離開(kāi)MPLS域時(shí),將MPLS報文的標簽剝掉。

在最后一跳節點(diǎn),標簽已經(jīng)沒(méi)有使用價(jià)值。這種情況下,可以利用倒數第二跳彈出特性PHP(Penultimate Hop Popping),在倒數第二跳節點(diǎn)處將標簽彈出,減少最后一跳的負擔。最后一跳節點(diǎn)直接進(jìn)行IP轉發(fā)或者下一層標簽轉發(fā)。默認情況下,設備支持PHP特性,支持PHP的Egress節點(diǎn)分配給倒數第二跳節點(diǎn)的標簽值為3。

以支持PHP的LSP為例,說(shuō)明MPLS基本轉發(fā)過(guò)程。


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如上圖所示,MPLS標簽已分發(fā)完成,建立了一條LSP,其目的地址為4.4.4.2/32。則MPLS基本轉發(fā)過(guò)程如下:

1)Ingress節點(diǎn)收到目的地址為4.4.4.2的IP報文,壓入標簽Z并轉發(fā)。

2)Transit節點(diǎn)收到該標簽報文,進(jìn)行標簽交換,將標簽Z換成標簽Y。

3)倒數第二跳Transit節點(diǎn)收到帶標簽Y的報文。因為Egress分給它的標簽值為3,所以進(jìn)行PHP操作,彈出標簽Y并轉發(fā)報文。從倒數第二跳轉發(fā)給Egress的報文以IP報文形式傳輸。

4)Egress節點(diǎn)收到該IP報文,將其轉發(fā)給目的地4.4.4.2/32。





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