定義

多協議標籤交換MPLS（Multiprotocol Label Switching）

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）和CLNP（Connectionless Network Protocol）等。MPLS中的“Multiprotocol”指的就是支持多種網絡協議。

由此可見，MPLS並不是一種業務或者應用，它實際上是一種隧道技術。這種技術不僅支持多種高層協議與業務，而且在一定程度上可以保證信息傳輸的安全目的90年代中期，隨著IP技術的快速發展，Internet數據海量增長。但由於硬件技術存在限制，基於最長匹配算法的IP技術必須使用軟件查找路由，轉發性能低下，因此IP技術的轉發性能成為當時限制網絡發展的瓶頸。

為了適應網絡的發展，ATM（Asynchronous Transfer Mode）技術應運而生。ATM採用定長標籤，並且只需要維護比路由表規模小得多的標籤表，能夠提供比IP路由方式高得多的轉發性能。然而，ATM協議相對複雜，且ATM網絡部署成本高，這使得ATM技術很難普及。

傳統的IP技術簡單，且部署成本低。如何結合IP與ATM的優點成為當時熱門話題。多協議標籤交換技術MPLS就是在這種背景下產生的。

隨著專用集成電路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）技術的發展，路由查找速度已經不是阻礙網絡發展的瓶頸。這使得MPLS在提高轉發速度方面不再具備明顯的優勢。但是MPLS支持多層標籤和轉發平面面向連接的特性，使其在VPN（Virtual Private Network）、流量工程、QoS（Quality of Service）等方面得到廣泛應用。

網絡結構

MPLS網絡的典型結構如圖1-1所示。MPLS基於標籤進行轉發，圖1-1中進行MPLS標籤交換和報文轉發的網絡設備稱為標籤交換路由器LSR（Label Switching Router）；由LSR構成的網絡區域稱為MPLS域（MPLS Domain）。位於MPLS域邊緣、連接其他網絡的LSR稱為邊緣路由器LER（Label Edge Router），區域內部的LSR稱為核心LSR（Core LSR）。

圖1-1 MPLS網絡結構

IP報文在MPLS網絡中經過的路徑稱為標籤交換路徑LSP（Label Switched Path）。LSP是一個單向路徑，與數據流的方向一致。

如圖1-1，LSP的入口LER稱為入節點（Ingress）；位於LSP中間的LSR稱為中間節點（Transit）；LSP的出口LER稱為出節點（Egress）。一條LSP可以有0個、1個或多箇中間節點，但有且只有一個入節點和一個出節點。

根據LSP的方向，MPLS報文由Ingress發往Egress，則Ingress是Transit的上游節點，Transit是Ingress的下游節點。同理，Transit是Egress上游節點，Egress是Transit的下游節點。

體系結構

圖1-2 MPLS體系結構

• 控制平面：負責產生和維護路由信息以及標籤信息。

• 路由信息表RIB（Routing Information Base）：由IP路由協議（IP Routing Protocol）生成，用於選擇路由。

• 標籤信息表LIB（Label Information Base）：由標籤分發協議生成，用於管理標籤信息。

  基本概念

  • Push：當IP報文進入MPLS域時，MPLS邊界設備在報文二層首部和IP首部之間插入一個新標籤；或者MPLS中間設備根據需要，在標籤棧頂增加一個新的標籤（即標籤嵌套封裝）。

  • Pop：當報文離開MPLS域時，將MPLS報文的標籤剝掉。在最後一跳節點，標籤已經沒有使用價值。這種情況下，可以利用倒數第二跳彈出特性PHP（Penultimate Hop Popping），在倒數第二跳節點處將標籤彈出，減少最後一跳的負擔。最後一跳節點直接進行IP轉發或者下一層標籤轉發。默認情況下，設備支持PHP特性，支持PHP的Egress節點分配給倒數第二跳節點的標籤值為3。

    

  • Transit節點收到該標籤報文，進行標籤交換，將標籤Z換成標籤Y。

  基本概念

  • Tunnel ID為了給使用隧道的上層應用（如VPN、路由管理）提供統一的接口，系統自動為隧道分配了一個ID，也稱為Tunnel ID。該Tunnel ID的長度為32比特，只是本地有效。

  • NHLFE下一跳標籤轉發表項NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry）用於指導MPLS報文的轉發。NHLFE包括：Tunnel ID、出接口、下一跳、出標籤、標籤操作類型等信息。FEC到一組NHLFE的映射稱為FTN（FEC-to-NHLFE）。通過查看FIB表中Tunnel ID值不為0x0的表項，能夠獲得FTN的詳細信息。FTN只在Ingress存在。

  • ILM入標籤到一組下一跳標籤轉發表項的映射稱為入標籤映射ILM（Incoming Label Map）。ILM包括：Tunnel ID、入標籤、入接口、標籤操作類型等信息。ILM在Transit節點的作用是將標籤和NHLFE綁定。通過標籤索引ILM表，就相當於使用目的IP地址查詢FIB，能夠得到所有的標籤轉發信息。

    當IP報文進入MPLS域時，首先查看FIB表，檢查目的IP地址對應的Tunnel ID值是否為0x0。

  1. 查看FIB表，根據目的IP地址找到對應的Tunnel ID。

  2. 根據FIB表的Tunnel ID找到對應的NHLFE表項，將FIB表項和NHLFE表項關聯起來。

  3. 查看NHLFE表項，可以得到出接口、下一跳、出標籤和標籤操作類型。

  4. 在IP報文中壓入出標籤，並根據QoS策略處理EXP，同時處理TTL，然後將封裝好的MPLS報文發送給下一跳。

  1. 根據MPLS的標籤值查看對應的ILM表，可以得到Tunnel ID。

  2. 根據ILM表的Tunnel ID找到對應的NHLFE表項。

  3. 查看NHLFE表項，可以得到出接口、下一跳、出標籤和標籤操作類型。

  4. MPLS報文的處理方式根據不同的標籤值而不同。

  • 如果標籤值>＝16，則用新標籤替換MPLS報文中的舊標籤，同時處理EXP和TTL，然後將替換完標籤的MPLS報文發送給下一跳。

  • 如果Egress收到MPLS報文，則查看ILM表獲得標籤操作類型，同時處理EXP和TTL。

  流程圖

  

  MPLS對TTL的處理

  MPLS對TTL的處理包括MPLS對TTL的處理模式和ICMP響應報文這兩個方面。

  MPLS對TTL的處理模式

  MPLS標籤中包含一個8比特的TTL字段，其含義與IP頭中的TTL域相同。MPLS對TTL的處理除了用於防止產生路由環路外，也用於實現Traceroute功能。

  RFC3443中定義了兩種MPLS對TTL的處理模式：Uniform和Pipe。缺省情況下，MPLS對TTL的處理模式為Uniform。

  • Uniform模式IP報文經過MPLS網絡時，在入節點，IP TTL減1映射到MPLS TTL字段，此後報文在MPLS網絡中按照標準的TTL處理方式處理。在出節點將MPLS TTL減1後映射到IP TTL字段。如圖1-8所示。圖1-8 Uniform模式下入方向TTL的處理

  

  • Pipe模式

  在入節點，IP TTL值減1，MPLS TTL字段為固定值，此後報文在MPLS網絡中按照標準的TTL處理方式處理。在出節點會將IP TTL字段的值減1。即IP分組經過MPLS網絡時，無論經過多少跳，IP TTL只在入節點和出節點分別減1。如圖1-9所示。

  圖1-9 Pipe模式下入方向TTL的處理

  在MPLS VPN應用中，出於網絡安全的考慮，需要隱藏MPLS骨幹網絡的結構，這種情況下，對於私網報文，Ingress上使用Pipe模式。

  ICMP響應報文

  在MPLS網絡中，當LSR收到TTL為1的含有標籤的MPLS報文時，LSR生成ICMP的TTL超時消息。

  LSR將TTL超時消息迴應給報文發送者的方式有兩種：

  • 如果LSR上存在到達報文發送者的路由，則可以通過IP路由，直接向發送者回應TTL超時消息。

  • 如果LSR上不存在到達報文發送者的路由，則ICMP響應報文將按照LSP繼續傳送，到達LSP出節點後，由Egress節點將該消息返回給發送者。

  通常情況下，收到的MPLS報文只帶一層標籤時，LSR可以採用第一種方式迴應TTL超時消息；收到的MPLS報文包含多層標籤時，LSR採用第二種方式迴應TTL超時消息。

  但是，在MPLS VPN中，ASBR（Autonomous System Boundary Router，自治系統邊界路由器）和HoVPN組網應用中的SPE（Superstratum PE or Service Provider-end PE，上層PE或運營商側PE），接收到的承載VPN報文的MPLS報文可能只有一層標籤，此時，這些設備上並不存在到達報文發送者的路由，則採用第二種方法迴應TTL超時消息。