MPLS技术

1  MPLS技术产生背景

   IP转发时，在转发的每一跳都要进行至少一次的最长匹配查找，操作比较耗时，导致转发速度较慢。为了提高报文的转发效率，提出了MPLS（Multi-Protocal Label Switching）技术，该技术的核心思想是通过标签交换取代IP查表转发。

2  标签

   标签是MPLS技术的核心，它位于二层头与IP报文之间，其报文格式如下：

Lable：标签值，长度为20bit，标签值是标签转发的关键索引；

Exp：用于QoS，长度3bit，作用与Ethernet 802.1的P值相似；

S：栈底标示，长度为1bit，如果有多个label时，在栈底的Label的S位置为“1”，其他为“0”；

TTL：存活时间，8bit，与IP报文中的TTL值相似，它是从IP域中拷贝出，每进行一次Lable交换，TTL的值减去1。

3  MPLS网络域

    LSR（Lable Switching Router）：采用标签交换技术转发报文的路由器；

    LER（Lable Edge Router）：标记边缘路由器，处在MPLS网络的边缘，负责将进入MPLS网络的报文或帧对应到具体的FEC并打上标签，变成MPLS帧转发；将离开MPLS网络的帧去掉Label，还原成原来的报文或帧，再查找相应的转发表转发；

FEC（Forwarding Equivalance Class）：LSR认为具有相同转发处理方式的报文，使用同一个标签来标记这些报文；

Push：在第一跳的LER上打上标签，即在报文的二层头和三层头之间插入Lable或者中间LSR在MPLS报文的标签栈顶增加新的标签；

Pop：在最后一跳的LER上将报文中的Label全部去掉，还原成报文或者在中间LSR去掉栈顶标签或减少标签的层次；

Swap：交换标签，在转发过程中根据标签转发表中的LSP替换报文中的Lable的过程；

LSP：标记转发路径，也就是转发MPLS报文的路径；

PHP：倒数第二跳弹出，在实际应用中，出口LSR在弹出最外层标签后，还需要进行其他较为复杂的三层操作，比如查表转发。而一般最外层标签的作用只是为了将报文送到出口LSR，所以在倒数第二跳LSR已知报文下一跳的情况下，可以将最外层标签弹出后转发到最后一跳LER，这样减轻了最后一跳的压力，提高了转发效率。

4  LDP协议

4.1 LDP基本概念

LDP是标签分发协议，LDP定义了一组程序和消息，通过它们一个LSR可以通知另一个LSR其已经形成的标签捆绑。通过网络层路由信息与数据链路层交换路径之间的直接映射，LSR可以使用LDP协议通过网络来建立标签交换路径。LDP协议除了Hello报文基于UDP外，其他报文都是基于TCP，端口646。当发生传输丢包时，能够利用TCP协议提供错误指示，实现快速响应和恢复。

4.2 LDP报文格式

Version：版本号，16bit，目前只有一个版本，版本号始终为“1”；

PDU Length：报文长度，16bit，值为LDP PDU，头部以后的数据部分的长度不包含LDP PDU头部；

LDP ID：长度48bit，前32bit为LSR-ID，后16bit为标记空间标志，全部空间为“0”，局部接口空间为“1”。如收到192.168.1.2:0，表示对方LSR-ID为192.168.1.2，标签空间为全局空间。

4.3  LDP消息

4.3.1 LDP消息格式

U：“0”表示可识别信息，“1”表示不可识别信息；

Message Type：协议根据这个域识别不同的消息；

Message Length：指示出长度域之后的数据部分长度；

Message ID：用来标示消息。

4.3.2 LDP消息类型

邻居发现消息：在启用LDP协议的接口上周期性发送该消息（Hello）；

会话建立和维护消息：用来建立和维护LDP会话（Initialization消息，KeepAlive消息）；

标签分发消息：用来请求、通告及撤销标签绑定；

错误通知消息：用来提示LDP对等体在会话过程中的重要事件（Notification消息）。

4.3.3 LDP会话建立

Step1：互发Hello报文，Hello消息中包括LDP-ID和Transport Adress；双方将用Transport Adress建立LDP会话，收到Hello消息后再进一步比较Transport Address确定有谁作为主动方发起TCP连接，一般大的主动发起；

Step2：TCP连接完成后，由主动方发送Initilization消息来协商参数，包括LDP协议版本、Label分发方式、Holdtime等；

Step3：如果接收到的被动方发觉对方的参数自己不能接受，则发送Notification消息结束会话，否则由被动方回应Intilization消息的同时也发送KeepAlive消息，两个消息可以在同一个报文中同时携带；

Step4：如果主动方接受Intillization中的参数，则发送KeepAlive消息，LDP会话成功建立。

4.4 MPLS的工作流程

Step1：所有LSP启动传统的路由协议，在LSR中建立IP路由表；

Step2：由LSP结合IP路由表建立LSP；

Step3：Ingress LER接收到IP数据包，分析IP包头并对应到FEC，然后给IP数据报加上标记，根据标签转发表中的LSP将已经标记的报文送到相应的出接口；

Step4：LSR收到带标记的报文，将只分析标记头，不关注标记头之上的部分，根据Label头查找LSP，替换Label，送到相应的出接口；

……中途的转发过程如Step4

Step N-1：倒数第二跳LSR收到带有标记的报文，查找转发表，发现对应出口的标签为隐式空标签或显示空标签，弹出标签，发送IP报文到最后一跳LSR；

Step N：在最后一跳Egress LER上执行三层路由功能，根据报文目的地址转发。

4.5 标签相关知识

4.5.1 标签分发方式

DU（Downstream Unsolicited）：下游LSR如果工作在DU方式下，根据某一策略向上游LDP邻居主动分发标签；

DOD（Downstream on Demand）：下游LSR如果工作在DoD方式下，只有接收到上游LDP邻居的Label request message后才回应label mapping message分发标签。

4.5.2：标签保留方式

自由保留方式（Liberal retention mode）：收到无效的Label通告后，虽然不生成LSP，但在标签绑定表里存储，并且LSR向上游通告其他FEC的lable绑定时也不占用这些标签。优点是LSR应对网络拓扑变化的响应较快；缺点是浪费标签。

保守保留方式（Conservative retention mode）：收到无效的Label通告后，将不存到标签绑定表里，在向上游通告Label时可以自由使用这些标签。这种方式优点是节省标签；缺点是响应较慢。

4.6 MPLS技术学习心得

通过学习MPLS技术，学好MPLS技术的关键点如下：

1，MPLS的产生背景及其要解决的网络问题；

2，深入理解典型MPLS网络域的实现过程，体会标签转发和IP查表转发的区别；

3，熟练掌握MPLS中涉及到的标签分配协议及其工作原理。