多協議標簽交換
(多協議標簽交換)
簡介
多協議標簽交換(MPLS)是壹種用於快速分組交換和路由的系統，它為網絡數據流量提供定向、路由、轉發和交換能力。更具體地說，它有壹個機制來管理各種形式的通信流。MPLS獨立於第二層和第三層協議，如ATM和IP。它為不同的分組轉發和分組交換技術提供了壹種將IP地址映射成具有固定長度的簡單標簽的方法。它是現有路由和交換協議的接口，如IP、ATM、幀中繼、資源預留協議(RSVP)、開放最短路徑優先(OSPF)等。
在MPLS中，數據傳輸發生在標簽交換路徑(LSP)上。LSP是沿著從源到終端的路徑的每個節點的標簽序列。現在使用的都是壹些標簽分發協議，比如標簽分發協議(LDP)、RSVP或者壹些基於路由協議的協議，比如邊界網關協議(BGP)、OSPF。因為固定長度的標簽被插入在每個分組或信元的開頭，並且可以被硬件用來在兩個鏈路之間快速交換分組，所以可以快速交換數據。
MPLS主要設計用於解決網絡問題，如網絡速度、可擴展性、服務質量(QoS)管理和流量工程，也用於解決下壹代IP骨幹網的寬帶管理和服務請求。
在這壹部分，我們主要關註壹般的MPLS框架。有關LDP、CR-LDP和RSVP-TE的詳細信息，請參考單獨的文檔。
多協議標簽交換MPLS最初是為了提高轉發速度而提出的。與傳統的IP路由方法相比，它在轉發數據時只分析網絡邊緣的IP頭，而不是分析每壹跳的IP頭，節省了處理時間。
MPLS起源於IPv4(互聯網協議第4版)，其核心技術可以擴展到多種網絡協議，包括IPX(互聯網分組交換)、Appletalk、DECnet、CLNP(無連接網絡協議)等。“MPLS”中的“多協議”是指支持多種網絡協議。
協議體系結構
MPLS標簽結構:
20 23 24 32位
標簽Exp S TTL
標簽-標簽值傳達了標簽的實際值。當接收到壹個標簽包時，可以找出棧頂的標簽值，系統知道:a，該包將被轉發的下壹跳；b .轉發前對標簽棧可能的操作，如返回標簽棧頂入口，將標簽推出棧外；或者返回到標簽棧頂部條目，然後將壹個或多個標簽推入棧中。
exp-試用。留出供試用。
堆棧底部。標簽堆棧中的最後壹個標簽位置是0，它提供了所有其他要進入堆棧的標簽。
TTL-生存時間字段，用於對生存期值進行編碼。
結構化協議組
MPLS:相關的信令協議，如OSPF、BGP、ATM PNNI等。
LDP:標簽分發協議。
CR-LDP:基於路由的約束標簽分發協議。
RSVP-TE:資源預留協議——基於流量工程擴展的流量工程。
基於MPLS的虛擬專用網
傳統VPN壹般通過GRE(通用路由封裝)、L2TP(第二層隧道協議)、PPTP(點對點隧道協議)、IPSec協議等隧道協議在公網上實現私網之間的數據流傳輸。而LSP本身就是公網上的隧道，用MPLS實現VPN有天然的優勢。
基於MPLS的VPN是通過LSP將專網的不同分支連接起來，形成統壹的網絡，如圖1-6所示。基於MPLS的VPN還支持不同VPN之間的互通控制。在圖1-6中:
L CE(客戶邊緣)是用戶邊緣設備，可以是路由器、交換機或主機。
L PE(提供商邊緣)是服務提供商的邊緣路由器，位於骨幹網。
在骨幹網中，還有P(Provider)，是服務提供商網絡中的骨幹路由器，不與ce直連。p設備只需要具備基本的MPLS轉發能力，不維護VPN信息。
基於MPLS的VPN具有以下特點:
L PE負責管理VPN用戶，在PE之間建立LSP連接，在同壹個VPN用戶的分支之間進行路由分配。
l PE之間的路由分配通常通過LDP或擴展BGP協議來實現。
l支持不同分支機構之間的IP地址復用和不同VPN之間的互通。
基於MPLS的服務質量
NE80E支持基於MPLS的流量工程和Diff-Serv特性，能夠在保證網絡高利用率的同時，根據不同數據流的優先級實現差異化服務，從而為有帶寬保證的語音和視頻數據流提供低時延、低丟包的服務。
由於很難在整個網絡中實現流量工程，因此在實際的組網方案中，QoS往往是通過區分服務模型來實現的。
Diff-Serv的基本機制是根據業務的服務質量要求，將業務映射到網絡邊緣的某個業務類別，利用IP包(來自ToS域)中的DS(區分服務)字段來唯壹標識這類業務；然後，骨幹網絡中的每個節點根據該字段對各種業務采取預設的服務策略，以保證相應的服務質量。
Diff-Serv的服務質量分類和標簽機制與MPLS的標簽分配非常相似。事實上，基於MPLS的區分服務是通過將DS分配與MPLS的標簽分配過程相結合來實現的。
基本工作流程:
再加上傳統的路由協議(如OSPF、“伊斯蘭國”等。), 1.LDP為每個LSR中有業務需求的FEC建立路由表和標簽映射表；
2.入口節點Ingress接收報文，完成三層功能，判斷報文所屬的FEC，並對報文進行標記，形成MPLS標記報文，轉發給中間節點Transit；
3.根據報文上的標簽和標簽轉發表進行轉發，不對標簽報文進行任何三層處理；
4.在出口節點處從分組中移除標簽，並繼續後續的轉發。
可以看出，MPLS不是壹種服務或應用，實際上是壹種隧道技術，也是壹種集標簽交換轉發和網絡層路由技術於壹體的路由交換技術平臺。該平臺不僅支持多種高層協議和服務，還在壹定程度上保證了信息傳輸的安全性。
體系結構
在MPLS的架構中:
l控制平面基於無連接服務，並通過使用現有的IP網絡來實現；
l轉發平面，也稱為數據平面，是面向連接的，可以使用ATM、幀中繼等二層網絡。
MPLS使用短定長標簽封裝數據包，實現數據平面的快速轉發。
在控制平面上，MPLS具有IP網絡強大而靈活的路由功能，可以滿足各種新應用的需求。
對於核心LSR，只有標簽分組需要在轉發平面上轉發。
對於LER，在轉發平面上不僅需要轉發標簽分組，還需要轉發IP分組。前者使用標簽轉發表LFIB，後者使用傳統轉發表FIB(轉發信息庫)。
MPLS和路由協議
LDP通過使用路由轉發表建立LSP。
LDP逐跳建立LSP時，利用沿途LSR的路由轉發表中的信息來確定下壹跳，路由轉發表中的信息壹般由IGP、BGP等路由協議收集。LDP與各種路由協議沒有直接關聯，只是間接使用路由信息。
通過擴展現有協議支持MPLS標簽分發
雖然LDP是專門用來實現標簽分發的協議，但是LDP並不是唯壹的標簽分發協議。通過擴展BGP、RSVP(資源預留協議)等現有協議，也可以支持MPLS標簽分發。
通過擴展某些路由協議來支持MPLS應用。
在MPLS的應用中，可能需要擴展壹些路由協議。例如，基於MPLS的VPN應用需要擴展BGP，使BGP能夠傳播VPN路由信息；基於MPLS的TE(流量工程)需要擴展OSPF或IS-IS協議來承載鏈路狀態信息。
LSPM:物流服務提供商管理
轉發等價類
MPLS作為壹種分類轉發技術，將轉發方式相同的數據包歸為壹類，稱為轉發等價類FEC(Forwarding Equivalence Class)。具有相同轉發等價類的分組將在MPLS網絡中得到完全相同的待遇。
轉發等價類的劃分非常靈活，可以是源地址、目的地址、源端口、目的端口、協議類型、VPN等任意組合。例如，在傳統的具有最長匹配算法的IP轉發中，到相同目的地址的所有消息是壹個轉發等價類。
標簽
標簽是具有固定長度且僅具有本地意義的短標識符，用於唯壹地標識分組所屬的轉發等價類FEC。在某些情況下，例如負載共享，可能有多個標簽對應於壹個FEC，但是壹個標簽只能代表壹個FEC。
標簽由報文頭攜帶，不包含拓撲信息，只具有局部意義。標簽長度為4字節，封裝結構如圖1-1所示。
標簽* * *有四個字段:
l標簽:20位，標簽值字段，用於轉發的指針；
L exp: 3位，留作實驗用，現在通常用作COS(服務等級)；
L s: 1位，堆棧底部標識。MPLS支持標簽的層次結構，即多標簽。當S值為1時，表示是最低的標簽。
L TTL: 8位，與IP包中的TTL(生存時間)含義相同。
標簽類似於ATM的VPI/VCI和幀中繼的DLCI，是壹個連接標識符。
l如果鏈路層協議有標簽域，如ATM的VPI/VCI或幀中繼的DLCI，標簽就封裝在這些域中；
l如果鏈路層協議沒有標簽域，則標簽被封裝在鏈路層和IP層之間的緩沖層中。
框架模式:框架模式
單元模式:單元模式
標簽交換路由器
LSR(標簽交換路由器(LSR)是MPLS網絡中的壹個基本元素，所有的LSR都支持MPLS協議。
LSR由兩部分組成:控制單元和轉發單元。
l控制單元負責分配標簽、選擇路由、建立標簽轉發表、建立和拆除標簽交換路徑等。
L轉發單元根據標簽轉發表轉發接收到的分組。
標簽發布協議
標簽發布協議是MPLS的控制協議，相當於傳統網絡中的信令協議，負責FEC分類、標簽分發、LSP建立和維護等壹系列操作。
MPLS可以使用多種標簽發布協議。
l包括專門為標簽發布制定的協議，如LDP(標簽分發協議)、Cr-LDP(約束路由標簽分發協議)；
l還包括現有的支持擴展後標簽發布的協議，如BGP(邊界網關協議)、RSVP(資源預留協議)。
NE80E支持上述標簽發布協議，支持手動標簽配置。
標簽交換路徑
轉發等價類在MPLS網絡中經過的路徑稱為LSP(標簽交換路徑)。
LSP在功能上與ATM和幀中繼的虛電路相同，是從入口到出口的單向路徑。LSP中的每個節點都由LSR組成。根據數據傳輸的方向，相鄰的LSR分別稱為上遊LSR和下遊LSR。
標簽交換路徑LSP分為靜態LSP和動態LSP。靜態LSP由管理員手動配置，而動態LSP由路由協議和標簽發布協議動態生成。
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位於MPLS域邊緣並與其他用戶網絡相連的LSR稱為邊緣LSR，即LER(Label Edge Router)，區域內的LSR稱為核心LSR。核心LSR可以是支持MPLS的路由器，也可以是從ATM交換機升級而來的ATM LSR。MPLS域內LSR之間使用MPLS通信，MPLS域邊緣由LER適配傳統IP技術。
數據包被標記後，沿著由壹系列LSR組成的標簽交換路徑LSP傳輸，其中傳入節點LER稱為入口，傳出節點LER稱為出口，中間節點稱為中轉。
參考信息
如果妳想了解更多關於MPLS的原理，請參考以下文檔。
RFC3031:多協議標簽交換架構
MPLS的應用
隨著ASIC技術的發展，路由查找的速度不再是阻礙網絡發展的瓶頸。這使得MPLS在提高轉發速度上不再有明顯優勢。
而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，在轉發平面采用面向連接的轉發模式，與現有的二層網絡轉發模式非常相似。這些特點使得MPLS很容易實現IP與ATM、幀中繼等二層網絡的無縫融合。為流量工程、虛擬專用網和服務質量等應用提供更好的解決方案。