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MPLS手艺白皮书V1.0

所谓多协议是指MPLS 支持多种网络层协议，例如IP、IPv6、IPX等；并且兼容包括ATM 、帧中继、以太网、PPP 等在内的多种链路层手艺

宣布时间：2009-09-25
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1 MPLS手艺配景

MPLS（Multiprotocol Label Switching）是多协议标签交流的简称

所谓多协议是指MPLS 支持多种网络层协议，例如IP、IPv6、IPX等；并且兼容包括ATM 、帧中继、以太网、PPP 等在内的多种链路层手艺

所谓标签交流就是对报文附上标签，凭证标签举行转发。

随着Internet的迅速生长，为Internet服务提供商(ISP)提供了重大的商业机会，同时也对其主干网络提出了更高的要求，人们希望IP网络不但能够提供电子邮件、上网等服务，还能够提供宽带、实时性营业。ATM一经是被普遍看好的能够提供多种营业的交流手艺，可是由于现实的网络中已经普遍接纳IP手艺，纯ATM网络已经不可能，现有ATM的使用也一样平常都是用来用来承载IP。因此就希望IP也能提供一些如ATM一样多种类型的服务。MPLS就是在这种配景下爆发的一种手艺，它吸收了ATM的VPI/VCI交流一些头脑，集成了IP路由手艺的无邪性和二层交流的简捷性，在面向无毗连的IP网络中增添了MPLS这种面向毗连的属性。通过接纳MPLS建设“虚毗连”的要领，为IP网增添了一些管理和运营的手段。随着网络手艺的迅速生长，MPLS应用也逐步转向MPLS流量工程和MPLS VPN等。在IP网中，MPLS流量工程手艺成为一种主要的管理网络流量、镌汰拥塞、一定水平上包管IP网络的QoS的主要工具。在解决企业互连，提供种种新营业方面，MPLS VPN也越来越被运营商看好，成为在IP网络运营商提供增值营业的主要手段。

MPLS是从90 年月中期起新兴的多层交流手艺，由IETF（Internet Engineering Task Force，因特网工程使命组）所提出，由Cisco、Juniper等网络装备大厂商所主导。最初MPLS手艺是为了提高路由交流装备的转发速率，随着硬件手艺和网络处置惩罚器的生长，这一优势已经不显着了。可是该手艺自己和靠硬件推动提高转发速率是有实质区别的。MPLS是三层路由和二层交流的荟萃模子]，可以在多种第二层前言上举行标签交流的网络手艺。这一手艺团结了第二层的交流和第三层路由的特点，第三层的路由在网络的边沿实验，而在MPLS的网络焦点接纳第二层交流（无需剖析IP报文头），即MPLS手艺将报文的三层选路和报文的转发脱离了。这一点和我们古板的路由器有很大区别，古板的路由器将选路和转发集于一身，在报文路径上的每跳路由器都要先剖析IP报文头然后选路然后再转发。这也是为什么接纳MPLS手艺能够提高转发速率的缘故原由之一。现在泛起的“三层交流机“其接纳硬件实现了三层的线速转发，可是仍然没有脱离”逐跳选路转发“的头脑（只是由硬件完成）。

虽然MPLS 提高转发速率这一优势已经不保存但由于MPLS 将2 层交流和3 层路由手艺团结起来的固有优势在解决VPN（虚拟专用网）、CoS（服务分类）和TE（流量工程）这些IP 网络的重大问题时具有优于其它手艺的地方，因此MPLS 手艺获得了越来越多的关注。MPLS的应用也逐步转向MPLS VPN和MPLS 流量工程等。

2 MPLS基来源理

2.1 术语

标签（Label）

是一个较量短的，定长的，通常只具有局部意义的标识，这些标签通常位于数据链路层的数据链路层封装头和三层数据包之间，标签通过绑定历程同FEC相映射,用来识别一个FEC。

转发等价类（FEC）

FEC（Forwarding Equivalence Class）是MPLS中的一个主要看法。MPLS现实上是一种分类转发手艺，它将具有相同转发处置惩罚方法（目的地相同、使用转发路径相同、具有相同的服务品级等）的分组归为一类，称为转发等价类。一样平常来说，划分分组的FEC是凭证他的网络层目的地址。属于相同转发等价类的分组在MPLS网络中将获得完全相同的处置惩罚。

LSR（Label Switching Router）

LSR是MPLS的网络的焦点交流机，它提供标签交流和标签分发功效。在MPLS系统文档RFC3031讲到LSR同时是一个有能力转发原始的三层报文（如IP报文或者IPv6报文等）的MPLS节点，关于MPLS在IP的应用，意味着LSR同时有能力执行正常的IP报文转发。

LER(Label Switching Edge Router)

在MPLS的网络边沿，进入到MPLS网络的流量由LER分为差别的FEC，并为这些FEC请求响应的标签；脱离MPLS网络的流量由LER弹出标签还原为原始的报文。因此LER提供了流量分类、标签的映射和标签的移除功效。LER一定是LSR，可是LSR纷歧定是LER。

LSP（Label Switched Path）

标签交流路径。一个FEC的数据流，在差别的节点被付与确定的标签，数据转发凭证这些标签举行。数据流所走的路径就是LSP，是一系列LSR的荟萃，可以将LSP看做类似穿越MPLS焦点网络的一个隧道

Label PUSH

Label PUSH是标签转发的基本行动之一，是组成标签转发信息表的一部分。作用：在于给报文压入一个new label。

PUSH行动，一样平常用于MPLS域的边沿装备将IP报文转发进入MPLS隧道时，需要压入一个Label举行转发。但在MPLS焦点网，MPLS报文转发时，若保存跨域或跨ISP操作时，也需要压入一个Inner label。

Label SWAP

Label Swap是标签转发的基本行动之一，是组成标签转发信息表的一部分。作用：在于给Incoming的MPLS报文替换下一跳标签。

详细操作是将欲转发的MPLS报文的外层标签删除，然后压入一层新获得的下一跳标签。

Label POP

Label POP是标签转发的基本行动之一，是组成标签转发信息表的一部分。作用：在于将一个MPLS报文去除标签，以下一层协议转发。

POP行动一样平常用于MPLS域的边沿装备，当MPLS报文出MPLS域，进入IP转发域时，需要将标签弹出。

2.2 MPLS数据结构

MPLS协议在OSI中的位置

如下图

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图2-1

MPLS是一种能承载恣意协议数据（IPv4/v6、IPX、ATM、AppleTalk等），能事情在任何链路协议之上(Ethernet、ATM，FR、PPP等)，能提供优质QoS包管，能支持更大规模的网络应用，可以替换IP寻址转发的协议载体。

MPLS是一种比ATM更简朴，无邪，更易于扩展的标签交流手艺。有人称之为2.5层协议，由于它通常事情在链路层协议之上，网络层IP协议之下。

MPLS标签结构

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图2-2

MPLS标签结构总长度为32Bit，其中分为以下几个域段：

Label：一个牢靠20bit长度的值，用于标识一组报文的转刊行为。类似于IP地址，但功效不像IP地址那么简单，标签只是局部有用。

Exp：一个3bit长度的值，用于实现MPLS的QoS，这里可以实现8种优先级，支持语音、视频、数据的差别服务类型，类似于IP的TOS域段。

S：本域段只有1bit长度，用于体现目今标签是否属于标签栈底。1:体现是，0:不是。

TTL：Time-To-Live，8个bit长度的值，用于避免报文传输时的环路，和IP协议中的TTL相同。

标签嵌套名堂

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图2-3

理论上，标记栈可以无限嵌套，从而提供可一连的营业支持能力。一样平常是2到3层。这是MPLS手艺最大的魅力所在。

3 MPLS数据转发原理

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图3-1

基本的MPLS网络，如上图所示。MPLS域的数据以标签举行高速交流。从LER到LER，为差别的IPv4域和IPv6域提供快速优质的LSP转发通道。LER认真将IP或ATM报文压入标签，封装称MPLS报文，然后将其投入MPLS隧道。同时LER还认真将MPLS报文的标签弹出，让其转发入IP或ATM域。

3.2 古板IP分组转发

是逐跳查表，然后选路转发。每跳将吸收到的IP分组报文，去除链路封装信息，接着使用目的IP地址查选路表，获得输出端口、下一跳和链路封装信息，然后举行链路封装，最后将分组报文发出给下一跳。弱点是在经由的每一跳处，必需举行路由表的最长匹配查找，可能保存多次查找，效率较低。

MPLS最基本功效就是取代IP分组转发，运送IP所要运送的报文抵达其目的地。

3.3 MPLS分组转发

标签分派与分发

标签的分派，是凭证输出端口和下一跳相同的IP路由的选路信息，划分为一个转发等价类。然后从MPLS标签资源池中，取一个标签（邮票标记），分派给这个转发等价类。同时，节点主机应纪录下此个标签和这个IP转发等价类的对应关系。最后将这个对应关系封装成新闻报文，通告身边的节点主机。这个通告历程称之为标签的分发。

MPLS标签分组

MPLS标签分组，是将IP分组报文（或其它），封装上定长而具有特定意义的标签，以标签标识此报文为MPLS分组报文。封装标签的方法凭证协议栈结构的条理举行，封装的标签应置于分组报文协议栈的栈头。封装了标签的分组报文，就似乎贴了邮票的信件一样，它能邮到它的目的地。

MPLS分组转发方法

MPLS分组转发分为三个历程：进入LSP，在LSP中传输，脱离LSP。

1. 进入LSP

进入LSP，是凭证IP分组报文的目的IP地址查IP选路表（FIB），此时查到的IP选路表已经和下一跳标签转揭晓关联。接着从下一跳标签转揭晓中可以获得，这个IP分组所分派的标签和下一跳地址等，一样平常输出端口信息是在IP选路表(FIB)中获得。然后将获得的标签封装IP分组报文为MPLS标签分组报文，再凭证Qos战略处置惩罚EXP，同时处置惩罚TTL，最后将封装好的报文送给下一跳。这样IP分组报文就进入了LSP隧道。

2. 在LSP中传输

在LSP中传输，是逐跳使用MPLS分组报文中的协议栈顶的标签(入标签)，直接以标签Index方法，盘问入标签映射表，获得输出端口信息和下一跳标签转揭晓的索引，使用其索引盘问下一跳标签转揭晓，可以从中获得标签操作的行动，欲交流的标签和下一跳地址等。若是MPLS分组报文未抵达LSP终点，查表获得的标签操作行动一定为SWAP。接着使用查表获得的新标签，替换MPLS分组报文中的旧标签，同时处置惩罚TTL和EXP等。最后将替换完标签的MPLS分组报文发送给下一跳。

3. 脱离LSP

脱离LSP，是MPLS分组转发的最后一站。使用MPLS分组报文中的协议栈顶的标签（即入标签），以标签Index方法，直接盘问入标签映射表，获得输出端口信息和下一条标签转揭晓的索引。接着用查到的索引继续盘问下一跳标签转揭晓，从中可以获得标签操作行动PHP或POP和下一跳地址等。详细是PHP，照旧POP，主要决议于下一跳标签分发协议是否使能PHP功效。PHP和POP行动，在实现上流程差未几。两个行动都应该删除MPLS分组报文中的标签，同时处置惩罚TTL和EXP，接着封装下一跳链路协议，最后将封装好的IP分组报文发给下一跳。

优点：

MPLS分组转发优点，在整个穿越LSP隧道历程中，每一跳的查表使用的是标签，而标签是定长20Bit的值。标签查表是以标签为索引，直接Index线性的标签映射表。在一律算法模子上，使用标签查表比使用IP地址最长比配查表速率要快得多。虽然现在硬件手艺先进，ASIC的IP地址最长匹配查表可以和标签查表相媲美，可是要实现一律的数据转发，需要支付更大的硬件本钱价钱。然而MPLS分组转发的优点，并不但仅局限于这点。

MPLS并不是一种营业或者应用，它现实上是一种隧道手艺，也是一种将标签交流转发和网络层路由手艺集于一身的路由与交流手艺平台。这个平台不但支持多种高层协议与营业，并且，在一定水平上可以包管信息传输的清静性。

4 标签分发协议

MPLS作为一个新的网络系统，同样也有其自身的信令协议或者说“路由协议”。MPLS中一个基础的看法就是两个LSR必需对用来在它们之间传输流量的标签的意义告竣共识，共识通过一系列历程抵达，叫做标签分发协议（Label Distribution Protocol，LDP），通过LDP，一个LSR通知另一个LSR它做出的标签绑定。 MPLS系统结构[RFC3031]把一个标签分发协议界说为一系列历程，通过这些历程一个LSR通知另一个LSR用来在它们之间转发流量的标签的意义。

支持MPLS标签分发的协议

LDP （Label Distribution Protocol）

LDP是MPLS的标签分发协议之一，主要用于建设通俗的LSP隧道，提供通俗的标签交流营业。

RSVP（Resource Reservation Protocol）

RSVP是MPLS的标签分发协议之一，但它注重用于建设TE的LSP隧道，它拥有通俗LDP没有的功效。如宣布带宽预留请求、带宽约束、链路颜色和显式路径等。

CR-LDP（Constraint-Based Routing using LDP）

CR-LDP是MPLS的标签分发协议之一，是在LDP基础上扩展的协议，通过引入新的TLV同样支持MPLS TE的相关属性，如显式路径、带宽、亲和属性、优先级与抢占等。

MP-BGP（Border Gateway Protocol）

MP-BGP是在BGP的基础上扩展的协议，引入Community属性，支持VPN路由和标签的分发，用于实现MPLS L3 VPN营业。

PIM

PIM是实现MPLS多播的标签分发协议。

本章所要先容的标签分发协议是IETF在RFC3036所界说的自力标签分发协议LDP。该LDP协议主要应用于IP的单播转发。使用LDP， LSR们通过把网络层的路由信息直接映射到链路层交流路径，在网络中建设标签交流路径LSP（Label Switch Path）。LDP将FEC（Forwarding Equivalence Class）与它建设的每条LSP联系在一起。LSP相关的FEC决议了哪个分组被映射到该LSP上。LSP在网络中的扩展（或者说延伸）通过每个LSR把一个FEC的入标签和该FEC对应的下一跳的出标签“接合”完成。

4.1 LDP的新闻类型

1. 发明（Discovery）新闻:用于通告和维护网络中LSR的保存。

2. 会话（Session）新闻:用于建设，维护和竣事LDP对等实体之间的会话毗连。

3. 通告（Advertisement）新闻:用于建设、改变和删除特定FEC-标签绑定。

4. 通知（Notification）新闻:用于提供新闻通告和过失通知。

4.2 LDP会话建设历程

1. 邻人发明

2. 会话提倡

3. 会话协商

4. 协商失败处置惩罚

5. 会话维持

详细流程见下图:

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图4-1

4.3 标签的分派和管理

1. 标签分发方法

下游按需分发标签DOD（Downstream On Demand）

下游自主分发标签DU（Downstream Unsolicited）

2. 标签控制方法

有序方法（Odered）

自力方法（Independent）

3. 标签保存方法

守旧方法（Conservative retention mode）

自由方法（Liberal retention mode）

4. 标签拆除方法

标签释放

标签作废

4.3.1 标签分发方法

DOD（Downstream On Demand）下游按需分发标签：

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图4-2

上游向下游发标签映射请求新闻，下游收到新闻后，凭证请求的FEC，从标签资源池中分派标签资源，然后将分得的标签和对应的FEC回应给请求的上游。同时自己纪录下这种对应的关系。现在这种分发方法很少使用。

DU（Downstream Unsolicited）下游自主分发标签：

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图4-3

上游不需要向下游发标签请求，而是下游自动向上游通过标签映射关系，上游收到后纪录标签和FEC的映射关系，同时下游也纪录这种映射。 DU方法是现在使用最多的。

4.3.2 标签控制方法

有序方法：

有序方法，是指除LER 以外，LSR必需等收到下游的标签映射，才华向上游宣布标签映射。LER是路由的起发点，标签映射最先由它提倡。有序控制方法如上图所示。有序控制方法是现在使用最多的方法。

自力方法：

自力方法，是指LSR不需要比及下游的标签映射关系抵达，而能单独的向上游分发标签映射。自力方法如上图所示。

4.3.3 标签保存方法

守旧方法：

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图4-4

守旧方法，是指统一条路由保存多个下一跳时，在所有邻人对这条路由的标签映射中，只选择最优的一跳做为标签转发的出口映射，其他的所有扬弃。

优点：节约内存和标签空间。

弱点：当IP路由收敛、下一跳改变时LSP收敛慢。

自由方法：

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图4-5

自由方法，是指统一条路由保存多个下一跳时，保存所有邻人对这条路由的标签映射，只选择最优的一跳做为标签转发的出口映射。

优点：当IP路由收敛、下一跳改变时镌汰了LSP收敛时间。

弱点：需要更多的内存和标签空间。

4.3.4 标签拆除方法

标签释放：

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图4-6

上游自动发送标签释放新闻通知下游释放某一标签，以后不再使用该标签发送数据，标签释放新闻不需要确认新闻。

标签作废：

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图4-7

下游向上游发送标签吊销新闻通知上游阻止使用某个标签时，需要上游路由器发送标签释放新闻确认。

4.4 倒数第二跳弹出

PHP是Penultimate Hop Popping的缩写，PHP的意思是下一跳就是MPLS域的边沿装备LER了，LER往下的路由装备可能是IP域，标签转发必需终止于LER装备。但标签终止可以在LER上弹出，也可以在LER的上一跳弹出。若是标签在LER的上一跳弹出，我们称之为PHP。
PHP是一种优化MPLS转发的头脑，从报文的整个转发路径和路径节点处置惩罚的价钱破费来看，关于每一个报文的转发使用PHP，将比使用最后一跳弹出少盘问一次ILM表，这就意味着硬件对报文少操作一次，报文处置惩罚的延时就更�。ú还⒑跗湮ⅲ�，PHP值得提倡。

PHP的实现是，MPLS分组报文在LER的上一跳，使用入标签查ILM表，获得输出端口信息和NHLFE索引，接着用NHLFE索引盘问NHLFE表，获得PHP行动和下一条地址，然后将标签从MPLS分组报文中删除，以IP报文方法发送给LER。LER收到后，再以IP方法查表转发报文。
当收到标签值为3的标签映射信息，就批注自己是倒数第二跳了，转发方法必需以PHP方法举行，标签转发必需终结于自己。

5 97国际网络MPLS典范设置

5.1 组网需求

要用三台MPLS装备组成的MPLS 网络，恣意装备之间都可以建设LSP，运行的路由协议为OSPF。LDP使用OSPF的路由信息建设LSP。

5.2 组网拓扑

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图5-1

5.3 设置办法

LER_A 的设置:

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6 MPLS系统生长

现在IETF已经在RFC3031形貌了MPLS的系统架构，在基本的MPLS控制信令、以及在Layer3 MPLS VPN上的应用和QOS方面的应用手艺较为成熟，并且出台了响应的标准。Layer2 MPLS VPN 最近几年生长迅速，手艺也一直成熟，大大都标准都处于草案阶段，可是由于业界几个主流的厂商的支持，也逐渐形成事实上的标准。MPLS在流量工程方面的应用近几年也迅速生长起来，IETF对其响应的标准和草案更新的较量快，手艺也日益成熟。

为了使到手艺领域的专业化以及更快的推向应用，IETF在2003年建设了L2VPN的事情组，专门研究VPLS（Virtual Private LAN Service）和VPWS（Virtual Private Wire Service）的手艺和应用；在2004年建设了L3VPN的事情组研究L3VPN的手艺和应用，MPLS在L3VPN的应用是该事情组研究的一个主要偏向。

MPLS事情组继续从事MPLS系统的研究以及MPLS的信令协议，同时也包括MPLS的流量工程方面的应用的研究。

可以说MPLS手艺团结了无邪的IP路由和高效的二层交流手艺，为无毗连的IP网络引入了毗连的看法，很是适合在一个基础IP主干网络上承载多种营业，现在已经在普遍应用在VPN、流量工程和QOS等领域，以后也必将有更大的生长！

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