mpLS

一、MPLS 是Multi-Protocol Label Switching的縮寫形式，中文含義爲多協議標籤交換技術。
二、MPLS不是特指某一種業務或應用，而是一種標準化的路由與交換技術平臺，能夠支持各類高層協議與業務。
三、Multi-Protocol：支持多種三層協議，如IP、IPv六、IPX等，它一般處於二層和三層之間，俗稱2.5層。
四、Label ：是一種短的、等長的、易於處理的、不包含拓撲信息、只具備局部意義的信息內容。
五、Switching：MPLS報文交換和轉發是基於標籤的。針對IP業務，IP包在進入MPLS網絡時，入口的路由器分析IP包的內容而且爲這些IP包選擇合適的標籤，而後全部MPLS網絡中節點都是依據這個簡短標籤來做爲轉發依據。當該IP包最終離開MPLS網絡時，標籤被出口的邊緣路由器分離。

1.1  MPLS概述
多協議標籤交換MPLS（Multiprotocol Label Switching）最初是爲了提升轉發速度而提出的。

在MPLS的體系結構中：

l              控制平面（Control Plane）是無鏈接的，利用現有IP網絡實現；

l              轉發平面（Forwarding Plane，也稱爲數據平面，Data Plane）是面向鏈接的，可使用ATM、幀中繼等二層網絡。

MPLS使用短而定長的標籤（label）來封裝分組，在數據平面實現快速轉發。在控制平面，MPLS擁有IP網絡強大靈活的路由功能，能夠知足各類新應用對網絡的要求。

MPLS起源於IPv4（Internet Protocol version 4），其核心技術可擴展到多種網絡協議，包括IPv6（Internet Protocol version 6）、IPX（Internet Packet Exchange）、Appletalk、DECnet、CLNP（Connectionless Network Protocol）等。「MPLS」中的「Multiprotocol」指的就是支持多種網絡協議。

NE40支持在IPv4和IPv6上使用MPLS。

MPLS結構的詳細介紹可參考RFC3031（Multiprotocol Label Switching Architecture）。

1.1.1  MPLS基本概念
1. 轉發等價類
MPLS做爲一種分類轉發技術，將具備相同轉發處理方式的分組歸爲一類，稱爲轉發等價類FEC（Forwarding Equivalence Class）。相同轉發等價類的分組在MPLS網絡中將得到徹底相同的處理。

轉發等價類的劃分方式很是靈活，能夠是源地址、目的地址、源端口、目的端口、協議類型、×××等的任意組合。例如，在傳統的採用最長匹配算法的IP轉發中，到同一個目的地址的全部報文就是一個轉發等價類。

2. 標籤
標籤是一個長度固定、只具備本地意義的短標識符，用於惟一標識一個分組所屬的轉發等價類（FEC）。在某些狀況下，例如要進行負載分擔，對應一個FEC可能會有多個標籤，可是一個標籤只能表明一個FEC。

標籤由報文的頭部所攜帶，不包含拓撲信息，只具備局部意義。標籤的長度爲4個字節，封裝結構以下所示：



圖1-1 標籤的封裝結構

標籤共有4個域：

l              Label：標籤值字段，長度爲20bits，用於轉發的指針；

l              Exp：3bits，保留，用於試驗；

l              S：1bit，MPLS支持標籤的分層結構，即多重標籤。值爲1時代表爲最底層標籤；

l              TTL：8bits，和IP分組中的TTL（Time To Live）意義相同。

標籤與ATM的VPI/VCI以及Frame Relay的DLCI相似，是一種鏈接標識符。若是鏈路層協議具備標籤域，如ATM的VPI/VCI或Frame Relay的DLCI，則標籤封裝在這些域中；若是不支持，則標籤封裝在鏈路層和IP層之間的一個墊層中。這樣，標籤可以被任意的鏈路層所支持。

標籤在分組中的封裝位置如圖1-2所示：



Frame mode：幀模式                Cell mode：信元模式

圖1-2 標籤在分組中的封裝位置

3. 標籤交換路由器
標籤交換路由器LSR（Label Switching Router）是MPLS網絡中的基本元素，全部LSR都支持MPLS協議。

LSR由兩部分組成：控制單元和轉發單元。控制單元負責標籤的分配、路由的選擇、標籤轉發表的創建、標籤交換路徑的創建、拆除等工做；而轉發單元則依據標籤轉發表對收到的分組進行轉發。

4. 標籤交換路徑
一個轉發等價類在MPLS網絡中通過的路徑稱爲標籤交換路徑LSP（Label Switched Path）。

LSP在功能上與ATM和Frame Relay的虛電路相同，是從入口到出口的一個單向路徑。LSP中的每一個節點由LSR組成。

5. 標籤發佈協議
標籤發佈協議是MPLS的控制協議，它至關於傳統網絡中的信令協議，負責FEC的分類、標籤的分配以及LSP的創建和維護等一系列操做。

MPLS可使用多種標籤發佈協議。包括專爲標籤發佈而制定的協議，例如：LDP（Label Distribution Protocol）、CR-LDP（Constraint-Based Routing using LDP）；也包括現有協議擴展後支持標籤發佈的，例如：BGP（Border Gateway Protocol）、RSVP（Resource Reservation Protocol）。

NE40支持上述標籤發佈協議，並支持手工配置的靜態LSP。

1.1.2  MPLS網絡結構
1. MPLS網絡結構
如圖1-3所示，MPLS網絡的基本構成單元是LSR，由LSR構成的網絡稱爲MPLS域。

位於MPLS域邊緣、鏈接其它用戶網絡的LSR稱爲邊緣LSR（LER，Labeled Edge Router），區域內部的LSR稱爲核心LSR。核心LSR能夠是支持MPLS的路由器，也能夠是由ATM交換機等升級而成的ATM-LSR。域內部的LSR之間使用MPLS通訊，MPLS域的邊原因LER與傳統IP技術進行適配。

分組被打上標籤後，沿着由一系列LSR構成的標籤交換路徑LSP（Label Switched Path）傳送，其中，入口LER被稱爲Ingress，出口LER被稱爲Egress，中間的節點則稱爲Transit。



圖1-3 MPLS網絡結構

結合上圖簡要介紹MPLS的基本工做過程：

l              首先，LDP和傳統路由協議（如OSPF、ISIS等）一塊兒，在各個LSR中爲有業務需求的FEC創建路由表和標籤映射表；

l              入口LER接收分組，完成第三層功能，斷定分組所屬的FEC，並給分組加上標籤，造成MPLS標籤分組；

l              接下來，在LSR構成的網絡中，LSR根據分組上的標籤以及標籤轉發表進行轉發，不對標籤分組進行任何第三層處理；

l              最後，在MPLS出口LER去掉分組中的標籤，繼續進行後面的轉發。

由此能夠看出，MPLS並非一種業務或者應用，它其實是一種隧道技術，也是一種將標籤交換轉發和網絡層路由技術集於一身的路由與交換技術平臺。這個平臺不只支持多種高層協議與業務，並且，在必定程度上能夠保證信息傳輸的安全性。

2. LSR的基本結構


圖1-4 LSR基本結構示意圖

對於普通的LSR，在轉發平面只須要進行標籤分組的轉發。對於LER，在轉發平面不只須要進行標籤分組的轉發，也須要進行IP分組的轉發，前者使用標籤轉發表LFIB，後者使用傳統轉發表FIB（Forwarding Information Base）。

1.1.3  MPLS與路由協議
LDP經過逐跳方式創建LSP時，利用沿途各LSR路由轉發表中的信息來肯定下一跳，而路由轉發表中的信息通常是經過IGP、BGP等路由協議收集的。LDP並不直接和各類路由協議關聯，只是間接使用路由信息。

另外一方面，經過對BGP、RSVP等已有協議進行擴展，也能夠支持MPLS標籤的分發。

在MPLS的應用中，也可能須要對某些路由協議進行擴展。例如，基於MPLS的×××應用須要對BGP進行擴展，使BGP可以傳播×××的路由信息；基於MPLS的流量工程TE（Traffic Engineering）須要對OSPF或IS-IS協議進行擴展，以攜帶鏈路狀態信息。



LSPM: LSP Management
 

圖1-5 MPLS與各類協議關係示意圖

1.2  MPLS的應用
隨着ASIC技術的發展，路由查找速度已經不成爲阻礙網絡發展的瓶頸。這使得MPLS在提升轉發速度方面不具有明顯的優點。

但因爲MPLS結合了IP網絡強大的三層路由功能和傳統二層網絡高效的轉發機制，在轉發平面採用面向鏈接方式，與現有二層網絡轉發方式很是類似，這些特色使得MPLS可以很容易地實現IP與ATM、幀中繼等二層網絡的無縫融合，併爲服務質量（QoS，Quality of Service）、流量工程（TE，Traffic Engineering）、虛擬專用網（×××，Virtual Private Network）等應用提供更好的解決方案。

1. 基於MPLS的×××
傳統的×××通常是經過GRE、L2TP、PPTP等隧道協議來實現私有網絡間數據流在公網上的傳送，LSP自己就是公網上的隧道，所以，用MPLS來實現×××有自然的優點。

基於MPLS的×××就是經過LSP將私有網絡的不一樣分支聯結起來，造成一個統一的網絡。基於MPLS的×××還支持對不一樣×××間的互通控制。



圖1-6 基於MPLS的×××

上圖是基於MPLS的×××的基本結構：CE（Customer Edge）是用戶邊緣設備，能夠是路由器，也能夠是交換機或主機；PE（Provider Edge）是服務商邊緣路由器，位於骨幹網絡。

PE負責對×××用戶進行管理、創建各PE間LSP鏈接、同一×××用戶各分支間路由分派。PE間的路由分派一般是用LDP或擴展的BGP協議實現。

基於MPLS的×××支持不一樣分支間IP地址複用，並支持不一樣×××間互通。與傳統的路由相比，×××路由中須要增長分支和×××的標識信息，這就須要對BGP協議進行擴展，以攜帶×××路由信息。

2. 基於MPLS的QoS
NE40支持基於MPLS的流量工程和差分服務Diff-serv特性，在保證網絡高利用率的同時，能夠根據不一樣數據流的優先級實現差異服務，從而爲語音，視頻數據流提供有帶寬保證的低延時、低丟包率的服務。

因爲全網實施流量工程的難度比較大，所以，在實際的組網方案中每每經過差分服務模型來實施QoS。

Diff-Serv的基本機制是在網絡邊緣，根據業務的服務質量要求將該業務映射到必定的業務類別中，利用IP分組中的DS字段（由ToS域而來）惟一的標記該類業務，而後，骨幹網絡中的各節點根據該字段對各類業務採起預先設定的服務策略，保證相應的服務質量。

Diff-Serv的這種對服務質量的分類和標籤機制和MPLS的標籤分配十分類似，事實上，基於MPLS的Diff-Serv就是經過將DS的分配與MPLS的標籤分配過程結合來實現的。