多协议标签交换（MPLS）是一种用于快速转发数据包的技术，它的出现就是为了提高转发效率。因为IP转发大多靠软件进行，在转发的每一跳都要进行至少一次最长匹配查找，操作复杂导致转发速度比较慢。有些厂商借鉴ATM的转发方式来简化IP转发过程，由此产生了一种结合IP和ATM的优势于一身的新技术—MPLS。在当时的条件下这可以说是一个很大的创举，其优势也是显而易见的，但后来IP转发领域有很多新技术产生，如硬件转发与网络处理器的出现，导致MPLS的速度优势体现不出来，纯MPLS转发在实际应用中几乎没有用武之地。
虽然MPLS在实际转发应用中较少用到，但是由于其灵活可扩展，因此出现了许多基于MPLS的新技术，比如BGP/MPLS VPN、流量工程等技术。当前，MPLS越来越受重视，成为当今网络技术的热点，还有一些新的应用需求也正在利用MPLS来实现。
1 MPLS基础概念
MPLS协议处于二层和三层之间，也就是MAC头和IP报文之间，是一个2.5层的协议。MPLS协议格式如下图所示：
(图片来自于：MPLS及LDP协议基础)
- Label：标签值，20bit，用于转发数据。
- Exp：流量等级，也成为TC，3bit。
- S：标志位，表示栈底协议，1bit。
- TTL：存活时间，8bit，与IP报文中的TTL值相似。
MPLS中的一些概念
- FEC：转发等价类，MPLS将具有相同特征值（目的地址相同或服务等级相同）的报文归为一类。
- 标签：本地意义的标识符，用于唯一标识一个报文所属的FEC，一个标签代表一个FEC。
- LSP：标签转换路径，同一个FEC在MPLS网络经过的路径。
- 标签转发表：与IP网络中的FIB（转发信息库）类似，称为LFIB，LFIB中的信息有InLabel（入标签）、OutLabel（出标签）、出接口、操作类型（Pop/Swap）、下一跳等。
MPLS中有控制平面和转发平面，控制平面负责标签分配，EFC标签映射、标签转发表建立、LSP建立等，相关的协议LDP、MP-BGP等；转发平面根据LFIB进行报文的转发。
MPLS网络的基本单元是LSR。LSP建立的过程就是标签和FEC的绑定，在LSR上建立LFIB的过程。LSP分为静态LSP和动态LSP，静态LSP就是手动配置LSP的出入标签、下一跳等，适合网络拓扑简单且稳定的小型网络；动态建立LSP就是基于LDP或者MP-BGP等协议建立的LSP，建立过程是：下游LSR根据目的地址划分FEC，为特定FEC分配标签，将FEC标签的绑定关系告知上游LSR，上游LSR根据绑定关系建立LFIB，报文转发路径上所有LSR都为该FEC建立转发表项后，就成功建立了转发FEC的LSP。
基于MPLS的L2VPN将用户二层数据封装成可以在MPLS网络或IP网络中传输的分组，通过IP路径或MPLS隧道转发封装后的分组，从用户角度来看，MPLS或IP网络就是一个二层交换网络。
一个MPLS报文可以有多个Label，靠近二层头的Label为栈顶Label，靠近IP报文的Label为栈底Label，LSR执行Label交换时总是基于栈顶Label。有多个Label时，每个Label都包括以上完整的32bit，并不是其它的Label只包括20bit的Label值，如下图所示：
(图片来自于：MPLS及LDP协议基础)
2 MPLS转发流程
MPLS技术综合了第二层交换和第三层路由的功能，将第二层的快速交换和第三层的路由有机地结合起来。MPLS网络边缘的LER主要完成以下工作：三层路由、分析IP包头用于决定对应的FEC和标签交换路径（LSP），进而标记报文。而在MPLS网络核心的LSR采用基于标签的第二层交换，工作相对较简单。从这里就可以看出MPLS的好处，虽然处在MPLS网络边缘的LER工作较复杂，但处在核心的LSR只需要像FR或ATM交换机那样执行二层交换就可以了，根本不需要最长匹配和多次查找。
典型的MPLS转发过程如下：
- Step 1： 所有LSR启用传统路由协议（OSPF、IS-IS等），在LSR中建立IP路由表
- Step 2： 由LDP结合IP路由表来建立LSP
- Step 3： Ingress LER接收IP包，分析IP包头并对应到FEC，然后给IP包加上标记，根据标签转发表中的LSP将已标记的报文送到相应的出接口。
- Step 4：LSR收到带有标记的报文，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
- ……………..(中途转发过程与Step 4类似)
- Step n-1：倒数第二跳LSR收到带有标记的报文，查找标记转发表，发现对应的出口标签为隐式空标签或显式空标签，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，根据报文的目的IP地址转发
3 LDP协议基础
LDP协议在[RFC 3036]中详细定义，LDP的协议报文除Hello报文基于UDP外，其它报文都是在TCP之上，端口号为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。与BGP相似，这种基于TCP的可靠连接使得协议状态机较为简单。
LDP报文格式
LDP PDU 头部
版本号：16bit，目前LDP只有一个版本，版本号始终为1；
PDU长度：为16bit，值为LDP PDU头部以后的数据部分的长度，不包括LDP PDU头部；
LDP Id：长度为48bit，前32bit为LSR-ID，后16bit为标记空间标志，全局空间为“0”，局部接口空间为“1”。如：收到的LDP PDU中的LDP-ID为192.168.1.2:0，表示对方的LSR-ID为192.168.1.2，标签空间为全局空间。
LDP 消息格式
U：这一位总是为“0”，代表可识别的消息，为“1”代表不可识别的消息；
类型域：协议根据这个域识别不同的消息；
长度域：指示出长度域之后的数据部分的长度；
消息ID：用来唯一地标识这个消息，如果消息为Notification，则ID与导致产生Notification的消息ID相关联。
LDP消息种类
按照功能来划分，LDP消息可分为4种类型消息：
- 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消息
- 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
- Address message
- Address Withdraw message
- Label request message
- Label mapping message
- Label withdraw message
- Label release message
- Label abort request message
- 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
LDP相关概念
标签空间
可分为全局标签空间和接口标签空间，全局标签空间表示LSR为特定目的地的FEC产生唯一的Label，接口标签空间表示LSR在每个接口上为特定目的地的FEC产生唯一的Label。在帧模式的链路上为全局标签空间，在信元模式的链路上为接口标签空间。LDP报文中的LDP-ID域中指示出标签空间值。
上游LSR和下游LSR
对于某FEC（图示中的IPv4前缀）来说，C是B的下游路由器，A是B的上游路由器
倒数第二条弹出
在实际应用当中（如MPLS VPN），对于Egress LSR在弹出最外层Label后还需要进行其它较复杂的三层工作。而事实上最外层标签的作用在MPLS VPN的应用中只是为了将报文送到Egress LSR。因此，在倒数第二跳LSR已知报文下一跳的情况下，可以将最外层的标签弹出后转发到最后一跳LER，而不必进行标签替换。这样使得最后一跳LSR的工作相对简单了一些。因此在 [RFC 3032] 中规定，最后一跳LSR发给倒数第二跳LSR的标签为隐式空标签“3”。据此，收到标签“3”的上游LSR就知道自己是该FEC的倒数第二跳，就知道自己在用该LSP转发Label报文时，应执行倒数第二跳弹出。
（倒数第二跳弹出）
标签分发方式
1 DU（Downstream Unsolicited）
下游LSR如果工作在DU方式（下游主动分发）下将根据某一触发策略向上游LDP邻居主动分发标签。下图中LSR-C标签分发触发策略是为直连32位掩码的路由分配标签，因此LSR-C通过Label mapping message向上游LDP邻居主动通告自己的直连路由172.16.1.1/32的标签，Comware系统缺省工作在DU方式。
2 DOD（Downstream On Demand）
下游LSR如果工作在DOD方式（下游按需分发）下，只有在接收到上游LDP邻居的Label request message后才回应Label mapping message分发标签（针对标记请求消息所指定的FEC）。下图中LSR-C工作在DOD模式下，LSR-A的触发策略生效（LSR-A转发到172.16.1.0/24的报文流量达到设定阀值）后将向172.16.1.0/24的下游发送标记请求消息Label request message（请求172.16.1.0/24的标签）。最终LSR-C收到请求，发送Label mapping message响应。
标签控制协议
1 独立控制方式
LSR如果工作在独立控制方式下，如果标签分发方式是DU，即使在没有获得下游标签的情况下也会直接向上游分发标签。在标签控制的方式上显得很“独立”，不依赖下游LSR；如果标签分发方式是DOD，发送标签请求的LSR的直连上游LSR会直接回应标签，而不必等待来自最终下游的标签。
在上图中，在LSR-B上采用独立控制方式。LSR-B路由表中有172.16.1.0/24的路由，但没有收到下游来的标签绑定。由于LSR-B工作于独立控制方式，所以对路由表中的所有路由都向上游发送标签。继而，无论LSR-A工作在独立模式还是有序模式，将向上游继续发送标签。这时，如果有目的IP为172.16.1.0/24的报文进入LSR-A，它将采用MPLS转发。但数据到LSR-B后，由于没有关联172.16.1.0/24的LSP，所以采用传统IP转发。
2 有序控制方式（Odered）
LSR如果工作在有序控制方式下，如果标签分发模式为DU，则只有收到下游LSR分发的标签时才会向自己的上游LSR通告标签，如果没有收到下游的标签映射则不向上游LSR通告。Comware系统缺省工作在有序方式。
在上图中，LSR-B路由表中有172.16.1.0/24的路由，但由于LSR-B没有收到下游的标签且工作在有序模式，因而不向上游通告关于172.16.1.0/24的Label。如果LSR-A收到目的IP为172.16.1.0/24的报文将采用传统IP转发。可以看出，在有序控制方式下，是否向上游LSR分发标签取决于自己是否收到下游LSR的标签。
标签保留方式
1 自由保留方式
收到无效的Label通告后（没有对应的IP路由或路由通告与Label通告的下一跳不一致），虽然不生成LSP，但在标签绑定表里存储，并且LSR向上游通告其它FEC的Label绑定时也不占用这些标签，这种方式的优点是LSR应对网络拓扑变化的响应较快，缺点是浪费标签，所有不能生成LSP的Label通告都需要保留。
在上图中LSR-A工作于自由保留方式，对于FEC为172.16.1.0/24将生成下一跳为LSR-B的LSP，LSR-C发来的Label通告将保留。如LSR-A和LSR-B之间的直连链路down掉，对于FEC：172.16.1.0/24的将很快生成下一跳为LSR-C的LSP。
2 保守保留方式
工作于保守保留模式的LSR收到无效的Label通告后将不存放到标签绑定表里，在向上游通告Label时可以自由使用这些标签。保守保留模式的缺点是对拓扑变化的响应较慢，优点是节省标签。
在上图中，LSR-A工作于保守保留模式，对于FEC为172.16.1.0/24将生成下一跳为LSR-B的LSP，LSR-C发来的Label通告将不保留。如LSR-A和LSR-B之间的直连链路down掉，对于FEC：172.16.1.0/24将不能很快生成下一跳为LSR-C的LSP。
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参考：