MPLS协议原理与配置详解

多协议标签交换MPLS(Multiprotocol Label Switching )，MPLS在无连接的IP网络上引入面向连接的标签交换概念，将第三层路由技术和第二层交换技术相结合，充分发挥了IP路由的灵活性和二层交换的便捷性

MPLS并不是一种业务或者应用，它实际上是一种隧道技术。这种技术不仅支持多种高层协议与业务，而且在一定程度上可以保证信息传输的安全性

MPLS

MP：多协议
LS：标签交换(label switch)

应用场景

用于早期提高转发效率
用于MPLS VPN(二层或三层标签)
用于MPLS TE流量工程
用于解决路由黑洞：route recursive-lookup tunnel

MPLS是工作在“2.5”层的协议

在二层头部和IP头部之间插入MPLS头部(短而定长的4字节)
MPLS头部可以插入多层，普通的MPLS插入一层头部，MPLS VPN插入2层MPLS头部

一、MPLS基本结构

1.MPLS域

能够进行标签转发的区域

2.MPLS 设备角色

LER(label edge router)：处于MPLS网络的边界设备，负责标签的压入push和弹出pop

LSR(label switch router)：处于MPLS网络的中间区域，负责标签的交换swap

3.LSP标签转发路径

到达同一目的地址的报文在mpls网络中经过的路径

数据转发过程中的LSP是单向的

LSP需要构建成功后才能进行标签转发

构建方式：静态、动态

LSP的建立过程时间就是将FEC和标签进行绑定

4.FEC转发等价类

具有相同转发处理方式的报文，在MPLS网络中，到达同一目的地址的所有报文就是一个FEC
MPLS中，一条FEC对应着一条路由
FEC的划分方式
- 以源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型或VPN等为划分依据
设备为FEC进行标签分配；设备对一条FEC完成标签分配后(FEC和标签绑定)，建立一条LSP
- 设备为FEC分发的标签作为入标签
- 设备收到FEC对应的标签作为出标签
- 标签值只具有本地意义（不同设备的标签分发是可以一致的）

5.数据流向

上游：数据源方向

下游：数据目的方向

ingress入节点：负责压入标签

transit中间节点：负责标签交换

egress出节点：负责弹出标签

标签分发是从下游往上游方向分发

标签动作

动作	解释
push	压入
swap	交换
pop	弹出
null	剥离标签，出空标签

二、MPLS体系结构

在这里插入图片描述

控制层面

负责生成和维护路由信息和标签信息

1.IP路由协议

产生路由信息

2.RIB路由信息表

存放路由信息

3.LDP标签分发协议

Label Distribution Protocol
为FEC分发标签

4.LIB标签信息表

Label Information Base
由LDP生成，存放FEC和标签的映射关系，管理标签信息

数据层面

负责IP报文的转发和带MPLS标签报文的转发

从控制层面下发得到，形成最优表项，直接指导数据转发

1.FIB转发信息表

Forwarding Information Base
基于RIB生成，指导IP报文转发
判断数据是否需要标签转发
- tunnel ID为0x0：进行IP转发
- tunnel ID为非0x0：查看LFIB表，进行标签转发

2.LFIB标签转发信息表

Label Forwarding Information Base
基于LIB表和IP路由表生成，指导标签报文转发
由ILM表(入标签映射表)和NHLFE(下一跳标签转发表)构成

NHLFE表(下一跳转发表项)

在这里插入图片描述

内容
- 出接口
- 下一跳
- 出标签

查看方式

display tunnel-info tunnel-id xxx
display mpls lsp include x.x.x.x 32 verbose

ILM表(入标签映射表)

在这里插入图片描述

内容
- 入标签
- 入接口
- tunnel ID(token)
- 标签操作类型

查看

display mpls lsp in-label xxxx verbose
display mpls lsp

FIB表通过tunnel ID关联到LFIB表，ILM表通过tunnel ID关联到NHLFE表

3.转发方式

接收到IP数据包，查看目的地址对应的tunnel ID
- tunnel ID为0x0：进行IP转发
- tunnel ID为非0x0：查看LFIB表，进行标签转发
接收到带MPLS标签的数据包，直接查看LFIB表
- LFIB出标签为普通标签进行标签交换
- LFIB出标签为空标签查看FIB进行IP转发

三、MPLS的数据转发流程

当数据进入MPLS域时：

根据FIB表查找相对应的转发条目，转发条目中包含tunnel ID字段**

查看tunnel ID字段

tunnel ID为0x0，进行IP转发
tunnelID为非0x0，进行MPLS转发

查看二层头部信息中的TYPE字段

type=0x0800表示上层为IP
type=0x8847表示上层为MPLS

1.ingress的处理

查询FIB表和NHLFE表指导报文转发

查看FIB表，根据目的IP地址找到对应tunnel ID

display fib 		##可以找到相关目的地的tunnel ID

根据tunnel ID找到对应的NHLFE表项，将FIB表项和NHLFE表项相关联起来(FTN)

##查看详细信息（出接口、下一跳、出标签）
display tunnel-info tunnel-id 0x3
##查看详细信息（出接口、下一跳、出标签，标签操作类型）
display  mpls  lsp  include 4.4.4.4 32 verbose

查看NHLFE表项得出接口、下一跳、出标签和标签操作类型
在IP报文中压入出标签、同时处理TTL，然后将封装好的MPLS报文从相应出接口发给下一跳

2.transit的处理

通过查询ILM和NHLFE表指导MPLS报文转发

根据MPLS的标签值查看对应的ILM表，可以得到tunnel ID。

display mpls lsp in-label 1025 verbose		##根据标签查找tunnel id

根据ILM表的tunnel ID找到对应的NHLFE表项
查看NHLFE表项，得出出接口、下一跳、出标签和标签操作类型
在IP报文中压入出标签、同时处理TTL，然后将封装好的MPLS报文从相应出接口发给下一跳

transit节点上MPLS对不同的label有不同的处理方式

如果label>=16，则用新标签替换替换旧标签，同时处理TTL，然后将替换完标签的报文发送给下一跳
如果label=3，直接弹出标签，同时处理TTL，然后进行IP转发或下一层标签转发(mpls vpn还有私网标签)

3.egress的处理

通过查询ILM表指导MPLS报文转发，或者查找IP路由表指导IP报文转发

如果egress节点收到IP报文，查看路由表，进行IP转发。(上游路由器有次末跳弹出3号标签)
如果egress节点收到MPLS报文，查看ILM表查看标签操作类型，同时处理TTL
- 如果标签中栈底标识S=1，表明该标签是栈底标签，直接进行IP转发
- 如果标签中的栈底标识S=0，表明还有下一层标签，继续进行下一层标签转发

NHLFE表项为什么存在下一跳？

正常情况下，根据出标签值和出接口即可完成数据转发

存在下一跳主要是为了完成二层头部目的MAC地址封装

ILM表项为什么存在入接口？

正常情况下，根据入标签即可查找到对应的ILM表项

但是设备中的标签一般会有很多，添加入接口是为了加快标签的查找时间

tunnel ID的作用？
1.在ingress节点根据tunnel id判断是进行IP转发还是MPLS转发

2.通过tunnel id查找NHLFE标签

3.标识隧道

四、MPLS的数据报文结构

标签：短而定长，4字节

在这里插入图片描述

MPLS报文(32bit)

内容：

1.label

标签值；20bit；范围：0-2^20
0—15：特殊标签、保留位
- 0：显示空标签
- 3：隐式空标签
16—1023：静态分配的标签
1024—2^20：动态分配的标签

路由器为FEC分发标签作为自身入标签，同一个设备为不同FEC分发的标签是不能相同的

路由器收到标签作为自身出标签，入标签和出标签可以相同的也可以不同

标签值只具有本地意义（不同设备的标签分发是可以一致的）

2.EXP

实验位；3bit；范围：0-7
表示数据优先级，用于QoS

3.S

栈底位；1bit
表示是否是最后一层标签
- S=1：表示是最后一层标签
- S=0：表示不是最后一层标签

4.TTL

生存时间；8bit；范围：0-255
用于MPLS数据防环
两种模式
- uniform统一模式(默认)
  - 在入接点将IP报文TTL复制到MPLS报文的TTL中，在MPLS域中IP报文TTL不变
  - MPLS报文在MPLS域内经过一台路由器MPLS报文TTL-1
  - 最后在出节点将MPLS报文TTL重新复制回IP报文TTL
- pipe管道模式(隐藏MPLS域设备路径)
  - 在入接点将IP报文TTL复制到MPLS报文的TTL中，在MPLS域中IP报文TTL不变
  - MPLS报文在MPLS域内经过一台路由器MPLS报文TTL-1
  - 最后在出节点，IP报文TTL-1

管道模式下，报文将MPLS域看作一台设备，不会将MPLS报文TTL映射到IP报文TTL。报文经过MPLS域，无论MPLS域内有多少台设备，对于IP报文来说TTL只会减一。这样可以更好的隐藏MPLS域，保证安全性

mpls		##进入MPLS视图
entropy-label ttl-mode {uniform | pipe}		##修改模式为 统一/管道

防环

控制层面防环

IGP防环
LDP防环(默认不开启)

数据层面防环

依靠TTL防环

五、LSP建立

静态LSP、动态LSP两种建立方式

静态LSP

由用户通过手工建立的方式为FEC分发标签建立LSP隧道

优点：不需要交互控制报文，设备资源消耗比较小

缺点：配置麻烦、易出错；网络拓扑发送改变，无法动态感知，需要管理员调整

适用于拓扑结构简单，网络稳定场景

配置：

在这里插入图片描述

##配置底层路由协议
##全局视图下配置
mpls lsr-id 2.2.2.2		//配置该设备的LSR-ID(该地址需要路由可达)
mpls

##接口视图下配置
interface g0/0/1
mpls	//接口激活MPLS，使得接口能够发送、接收MPLS报文


##入接点设备AR2配置
static-lsp ingress 4 destination 4.4.4.4 32 outgoing-interface g0/0/1 nexthop 23.1.1.3 out-label 1020		
##传输结点AR3配置
static -lsp transit 4 incoming-interface g0/0/0 in-label 1020 outgoing-interface g0/0/1 nexthop 34.1.1.4 out-label 1021		
##出节点设备AR4配置
static-lsp egress 4 incoming-interface g0/0/0 in-label 1021

检查命令

display mpls static-lsp

动态LSP

通过交互报文形式为FEC分配标签，并进行维护

优点：方便管理，可动态感知拓扑发生变化

缺点：交互报文，资源消耗大

有LDP协议、MP-BGP协议

LDP标签分发协议，主要是为静态以及IGP协议路由分配标签(默认只是为32位的主机路由分发标签)
MP-BGP多协议BGP，主要位BGP VPNv4路由分配标签(主要用于MPLS VPN)

LDP会话建立过程

在这里插入图片描述

LDP协议的配置

##1.底层IGP配置(ospf,static等)

##2.全局视图下配置
MPLS lsr-id x.x.x.x		//配置该设备的LSR-ID
mpls		//开启MPLS
mpls ldp	//激活LDP协议
##3.接口视图下配置
interface g0/0/1
mpls 
mpls ldp	//是接口有自动分发的能力

检查命令

display mpls lsp		//查看LSP
display mpls ldp
display mpls ldp session		//查看邻居会话

1.LDP邻居发现

使用hello message报文

设备激活LDP后，互相发送hello message报文

DIP为224.0.0.2发送
基于UDP，端口号646
报文携带LSR-ID和传输地址(transport address)，默认一致
发送间隔5s，15超时

在这里插入图片描述

报文内容
- LSR ID
- label space标签空间
  - 0 基于平面标签分发：所有接口使用同一套标签值进行分发
  - 1 基于接口标签分发：每个接口都存在一套独立的标签
- hold time超时时间：默认15s
- transport address传输地址：用来建立TCP连接

hello message报文主要用于对等体间的互相发现，互相学习传输地址，以便建立TCP连接

2.TCP连接

基于TCP，端口号646，保证标签传递时是可靠

传输地址大的作为主动端发起TCP连接

以hello报文协商的传输地址做连接

在这里插入图片描述

3.LDP会话建立

使用Initialization message报文和keepalive报文

1.由主动端先发出init报文进行参数协商

init报文内容包含：LSR ID、标签空间ID，标签分发方式、PDU长度、keepalive的计时器

2.被动端收到init报文。如果协商成功发送keepalive报文确认+init报文进行参数协商；如果协商失败，发送notification报文终止会话

keepalive的计时器：周期15S，超时45S

3.主动端收到init报文。如果协商成功发送keepalive报文确认，会话建立成功；如果协商失败，发送notification报文终止会话

在这里插入图片描述

keepalive报文

在这里插入图片描述

4.通告阶段

使用address message报文、label mapping message报文

用来请求、通告及撤销标签绑定

Address Withdraw message、Label request message、Label mapping message、Label withdraw message、Label release message、Label abort request message

相互发送address报文

用于给邻居设备生成表项的下一跳

相互发送maping message报文

用于给邻居发送FEC+标签的映射关系

address message
label mapping message

六、MPLS标签管理

数据从上游(ingress)去往下游(egress)

标签的分发是下游设备向上游设备发布，下游设备将分配的标签作为入标签，上游设备将收到的标签作为出标签

1.标签发布方式

决定是否主动分发标签

DU方式

下游自主，下游不需要接收上游请求就可以主动向上游发送标签映射
优点：标签分配速度快
缺点：浪费内容存储部分无用标签

DOD方式

下游按需，下游需要收到上游请求(label request报文)才会主动向上游发送标签映射
优点：只针对有用路由进行标签请求，不会存在无用标签
缺点：分配速度较慢

修改

##两台设备都要配置
interface g0/0/0
mpls ldp advertisement dod		##修改接口标签分发方式为DOD

2.标签分配控制方式

决定LSP隧道是否有序建立

independent方式

独立方式，不需要收到下游分配的标签可以往上游分配标签
优点：LSP隧道建立速度快
缺点：可能造成LSP隧道断裂

order方式

有序方式，需要收到下游分配的标签才可以往上游分配标签
- FEC的出标签不为null才会向上游分配标签
优点：保证隧道的完整性

3.标签保持方式

Liberal方式

自由方式，会保存不是最优的标签
优点：存在备份标签，收敛速度快

conservation方式

保守方式，只保存最优的标签
优点：减少内存消耗
缺点：当最优标签链路断开。若存在备份链路，需要重新分配标签，收敛速度忙

案例场景：

R1、R2、R3、R4在同一MPLS域，R1上会收到3.3.3.3/32这条FEC的从两个方向(R2和R3)来的标签

1.如果是liberal方式，只保存一个最优的 1025或者1027

2.如果是conservation方式，两个都保存，选择最优的作为主标签用于转发数据，另一个作为备份标签，当主标签链路断开，备份标签会浮现出来

华为默认：DU+ordered+liberal

七、PHP次末跳弹出

隐式空标签

用于解决最后一跳设备负担大的问题

在数据发送给最后一跳路由器前提前弹出标签，使最后一跳路由器只查看一次FIB表，减少最后一条的负担

实现方式

最后一跳路由器为上游分发特殊3号标签
- 最后一跳路由器：一条FEC在MPLS中的egress节点
3号标签作为倒数第二跳的出标签
当转发MPLS数据包时，倒数第二跳发现出标签为特殊3号标签，提前弹出标签，在与最后一条路由器之间的链路上使用IP转发

0号标签

显示空白标签

最后一跳弹出

用于QoS，保证QoS在整个链路中不丢失

MPLS报文中EXP位

实现：

最后一跳路由器为上游分发特殊0号标签
0号标签作为倒数第二跳的出标签
倒数第二跳LSR将值为0的标签正常压入标签值顶部，转发给最后一跳路由器，最后一跳路由器发现报文标签值为0，则标签弹出

0号标签和3号标签区别

	0号标签	3号标签
名称	显示空标签	隐式空标签
弹出设备	最后一跳弹出	次末跳弹出
备注	用于有配置QoS的mpls域

华为LDP协议默认情况下置位32位的主机路由分配标签
在这里插入图片描述

修改可以为不是32位的主机路由分配标签

mpls
lsp-trigger all

本文链接：https://www.cnblogs.com/csdragon/p/14706797.html

MPLS协议原理与配置详解

一、MPLS基本结构

1.MPLS域

2.MPLS 设备角色

3.LSP标签转发路径

4.FEC转发等价类

5.数据流向

标签动作

二、MPLS体系结构

控制层面

1.IP路由协议

2.RIB路由信息表

3.LDP标签分发协议

4.LIB标签信息表

数据层面

1.FIB转发信息表

2.LFIB标签转发信息表

3.转发方式

三、MPLS的数据转发流程

1.ingress的处理

2.transit的处理

3.egress的处理

四、MPLS的数据报文结构

MPLS报文(32bit)

1.label

2.EXP

3.S

4.TTL

防环

五、LSP建立

静态LSP

动态LSP

LDP会话建立过程

LDP协议的配置

1.LDP邻居发现

2.TCP连接

3.LDP会话建立

4.通告阶段

六、MPLS标签管理

1.标签发布方式

DU方式

DOD方式

2.标签分配控制方式

independent方式

order方式

3.标签保持方式

Liberal方式

conservation方式

七、PHP次末跳弹出

实现方式

0号标签

0号标签和3号标签区别

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