数据链路层之MPLS协议.docx

为什么需要MPLS?在20世纪90年代中期，随着IP网络的快速发展，Internet数据量急剧增长。由于当时的硬件技术存在限制，基于最长匹配算法的IP技术必须使用软件方法查找路由，转发性能低下,所以IP的转发性能成为当时限制网络发展的瓶颈。在这种背景下，IETF提出了MPLS协议。MPLS最初的目的就是为了提升IP网络中路由设备的转发速率。XXXXXIP路由方式” XXXXX XXXXXXXXXXMPLS方式IP路由与MPLS转发方式对比与传统的IP路由方式相比,MPLS通过以下两种方式提升转发速率:将查找庞大的IP路由表转化为简洁的标签交换，显著减少指导报文转发的时间。当报文进入MPLS区域之后,只需在位于边缘的入、出节点解析IP报文头，封装或解封装标签，而在中间的所有节点上都无需解析IP报文头，只进行标签交换，进一步节约了转发报文的处理时间。后来，随着ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit,专用集成电路）技术的迅速发展JP路由表查找逐步改用硬件方法，处理速度大大提高，这使得MPLS在提高IP网络转发速率方面不再具备明显的优势。但是，MPLS的标签转发本质上是一种隧道技术，它还支持封装多层标签，并且MPLS天然兼容多种网络层和链路层协议，因此，MPLS非常适合在各种VPN业务中充当公网隧道。此外，由于MPLS的报文转发依靠一条固定的标签交换路径，所以MPLS是一种面向连接的转发技术，这使得MPLS在流量工程（TrafficEngineering,TE）、QoS等领域也有着广泛的应用。MPLS有哪些特征？MPLS的基本概念有哪些？想了解MPLS是什么，首先要知道MPLS的基本概念，下面介绍几个核心概念。FECMPLS是一种分类转发技术,它将具有相同转发处理方式的数据分组归为一类，称为FEC（ForwardingEquivalenceClass,转发等价类）。MPLS对相同FEC的数据分组采取完全相同的处理方式。FEC的划分方式非常灵活，可以是源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议种类、业务类型等要素的任意组合。例如，在采用最长匹配算法的IP路由转发中，去往同一个目的地址的所有报文就是一个FECoMPLS标签是一个简短且长度固定的标识符，它只具有本地意义，用于唯一标识一个分组所属的FEC。在某些情况下(例如，进行负载分担)对应一个FEC可能会有多个MPLS标签，但是在一台设备上，MPLS标签只能代表一个FECoMPLS标签长度为4个字节，封装结构如下图所示。O19222331LabelEXPBoSTTLMPLS标签封装结构 MPLS标签共有4个域： 1.abel:20bit,标签值域。 Exp:3bit,用于扩展。现在通常用做CoS(ClassofService,服务分类)。 BoS:Ibit,栈底标识。MPLS支持多层标签，即标签嵌套。BoS值为1时表明为最底层标签。 TTL:8bitf和IP分组中的TTL(TimeToLive)意义相同。MPLS标签封装在链路层和网络层之间，它在报文分组中的封装位置如下图所示。MPLS标签能够被任意的链路层协议所支持。LinklayerheaderLabelLayer3headerLayer3payloadMPLS标签的封装位置MPLS标签栈(Labelstack)也称为MPLS多层标签，是指MPLS标签的排序集合，如下图所示。靠近二层首部的标签称为栈顶标签或外层标签；靠近IP首部的标签称为栈底标签，或内层标签。MPLS标签栈按后进先出(LaStInFirstOut)方式组织标签，从栈顶开始处理标签。1.inklayerheaderOuterlabelInnerlabelLayer3headerLayer3payloadI-V1.abelstackMPLS标签栈标签操作MPLS标签的基本操作包括标签压入(Push)、标签交换(SW叩)和标签弹出(Pop),它们是标签转发的基本动作，是标签转发信息表的组成部分。标签基本操作MPLS标签的基本操作详解如下： Push:指当IP报文进入MPLS域时，MPLS边界设备在报文二层首部和IP首部之间插入一个新标签；或者MPLS中间设备根据需要，在标签栈顶增加一个新的标签（即标签嵌套封装）。 SW叩：当报文在MPLS域内转发时，根据标签转发表，用下一跳分配的标签，替换MPLS报文的栈顶标签。 Pop:当报文离开MPLS域时，将MPLS报文的标签去掉;或者MPLS倒数第二跳的节点处去掉栈顶标签，减少标签栈中的标签数目。在最后一跳的节点上，MPLS标签实际已没有使用价值。这种情况下，可以利用PHP（PenultimateHopPopping,倒数第二跳弹出）特性，在倒数第二跳的节点上就将标签弹出，这样最后一跳的节点可直接进行IP转发或者下一层标签转发，从而减少最后一跳的处理负担。PHP特性是通过分配特殊的标签值3来实现的。标签值3表示隐式空标签（Implicit-null）,这个值不会出现在标签栈中。当倒数第二跳节点发现自己被分配了标签值3时，它并不用这个值替代栈顶原来的标签，而是直接执行PoP操作，使最后一跳节点直接进行IP转发或下一层标签转发。1.SP1.SP（LabelSwitchedPath,标签交换路径）是指属于同一FEC的报文（即封装了MPLS标签的报文）在MPLS域内转发所经过的路径，如下图所示。MPLS 域 1.SP示意图 1.SP是一条从入口到出口的单向通道，包含以下角色： 1.SP的起始节点称为入节点（IngreSS）,一条LSP只能有一个IngresseIngress的主要功能是给IP报文压入一个新的MPLS标签，将其封装成MPLS报文。 位于LSP中间的节点称为中间节点（Transit）,一条LSP可能有O个或多个TransitoTransit的主要功能是查找标签转发信息表，通过标签交换完成MPLS报文的转发。 1.SP的末尾节点称为出节点（Egress）,一条LSP只能有一个EgressoEgress的主要功能是弹出标签，恢复成原来的报文进行相应的转发。MPLS网络是什么样的？MPLS网络的典型结构如下图所示。MPLS网络结构示意图MPLS网络主要包含以下要素: 支持MPLS功能的网络设备称为LSR（LabelSwitchingRouter,标签交换路由器），它是MPLS网络的基本组成单元。由一系列连续的LSR构成的网络区域称为MPLS域。 MPLS域内部的LSR称为CoreLSR,如果一个LSR的相邻节点都运行MPLS,则该LSR就是COreLSRo 位于MPLS域边缘、连接其它网络的LSR称为LER（LabelEdgeRouter,标签边缘路由器），如果一个LSR有一个或多个不运行MPLS的相邻节点，那么该LSR就是LERo在MPLS网络中，任何两个LER之间都可以建立LSP,用来转发进入MPLS域的报文，中间可途径若干个CoreLSRc因此，一条LSP的Ingress和Egress都是LER,而Transit是CoreLSRoMPLS有什么价值？MPLS在当前的IP网络中得到了广泛的应用，其主要价值体现在以下几方面：MPLS完全兼容IP网络，相当于在IP网络的基础上进行改进，建设成本低，易于推广。 MPLS的控制平面和转发平面是分开的，在控制平面依靠IP路由来建立LSP,MPLS可以借用IP路由的各种灵活性、可靠性机制；在转发平面通过LSP来传输报文，是面向连接的，MPLS可以有效的实施流量工程和QoS。 MPLS是一种与链路层协议无关的技术，它同时支持帧中继、ATM、PPP和SDH等协议，保证了多种网络的互通，兼容性非常好。 MPLS网络支持层次化的拓扑结构，适合在IP骨干网中部署。 MPLS标签栈在理论上可支持标签的无限嵌套，正好契合了VPN业务对公、私网标签多层封装的要求，因此MPLS为VPN业务的蓬勃发展提供了强有力的支持。MPLS是如何工作的？简单来说，MPLS的工作就是将进入MPLS域的报文正确地转发到目的地。MPLS的工作可以概括为两个过程：建立LSP.报文通过LSP转发。MPLS是如何建立LSP的？MPLS是一种依靠标签交换来指导转发的技术，因此，LSP的建立过程实际上就是沿途LSR为特定FEC确定标签的过程。MPLS标签由下游分配，按照从下游到上游的方向进行分发。如下图所示，下游LSR根据IP路由的目的地址进行FEC划分,并将标签分配给对应指定目的地址的FEC1再将标签发送给上游LSR,触发上游LSR建立标签转发信息表，最终使一系列LSR形成一条LSPo1.SP的建立过程示意图1.SP按建立方式可以分为静态LSP和动态LSP两种：静态LSP是管理员通过手工为各个FEC分配标签而建立的LSP0手工分配标签需要遵循的原则是：上游LSR出方向的标签的值等于下游LSR入方向的标签值。动态LSP是各LSR通过标签发布协议动态的生成和发布标签而建立的LSP,下游LSR向上游LSR发送标签时需要依赖IP路由。MPLS支持多种标签发布协议，例如：LDP(LabelDistributionProtocol)sRSVP-TE(ResourceReservationProtocolTrafficEngineering)和MP-BGP(MultiprotocolBorderGatewayProtocol)报文是如何通过LSP转发的？以支持PHP特性的LSP为例，MPLS报文在该LSP中的基本转发过程描述如下：1. Ingress收到目的地址为192.168.1.1/24的IP报文,压入标签Y(Push)f封装为MPLS报文并继续转发。2. TranSit收到该MPLS报文，进行标签交换(SW叩)，将标签Y换成标签X。3. 倒数第二跳的Transit收到该MPLS报文，因为Egress分给它的标签值为3,所以进行PHP操作，弹出标签X并继续将IP报文转发给Egresso4. Egress节点收到该IP报文，将其转发给目的地192.168.1.1240报文通过LSP转发的示意图什么是MPLSVPN?MPLSVPN是指利用MPLS在IP骨干网络上构建VPN的技术。VPN的实质就是在公网上像私有专用网一样传输业务数据，这就需要在公网上建立一条隧道，让数据报文通过隧道直达目的地，从而达到私有专用网络的效果。概括地讲，MPLSVPN就是采用MPLS建立的LSP作为公网隧道来传输私网业务数据的。MPLSVPN的基本模型主要由以下三种角色构成： CE(CustomerEdge):用户网络边缘设备，有接口直接与服务提供商SP(ServiceProvider)网络相连，用户的VPN站点(Site)通过CE连接到SP网络。CE可以是网络设备,也可以是一台主机。通常情况下，CE"感知"不到VPN的存在，也不需要支持MPLS。 PE(ProviderEdge):是服务提供商网络的边缘设备，与CE直接相连。在MPLS网络中，PE设备作为LSR,对MPLS和VPN的所有处理都发生在PE上，对PE性能要求较高。 P(Provider):服务提供商网络中的骨干设备，不与CE直接相连。在MPLS网络中，P设备作为LSR,只需要处理MPLS,不维护VPN信息。Site3MPLSVPN的基本模型MPLSVPN充分利用了MPLS的技术优势，是目前应用最广泛的VPN技术。从用户角度来看，MPLSVPN具有如下价值： 一个MPLS标签对应一个指定业务的数据流（特定FEC）,非常有利于不同用户业务的隔离。 MPLS可以提供流量工程和QoS能力，用户可以借助MPLS最大限度地优化VPN网络的资源配置。 MPLSVPN还能提供灵活的策略控制，满足不同用户的特殊要求，快速实现增值服务。