4.9 多协议标签交换 MPLS

MPLS (MultiProtocol Label Switching)：互联网建议标准。

多协议：在 MPLS 的上层可以采用多种协议。

标签：MPLS 利用面向连接技术，使每个分组携带一个叫做标签 (label) 的小整数。标签交换路由器用标签值检索转发表，实现分组的快速转发。

1、MPLS 特点

MPLS 并没有取代 IP，而是作为一种 IP 增强技术。

特点： 支持面向连接的服务质量； 支持流量工程，平衡网络负载； 有效地支持虚拟专用网 VPN。

4.9.1  MPLS 的工作原理

当网络很大时，查找路由表要花费很多时间。

在出现突发通信时，缓存会溢出，引起分组丢失、传输时延增大和服务质量下降。

1、MPLS 基本工作过程

1）MPLS 特点：

在 MPLS 域的入口处，给每一个 IP 数据报打上固定长度标签。

对打上标签的 IP 数据报在第二层（链路层）用硬件进行转发。

采用硬件技术对打上标签的 IP 数据报进行转发就称为标签交换。

可以使用多种数据链路层协议，如 PPP、以太网、ATM 以及帧中继等。

2）MPLS 协议的基本原理

3）MPLS 域

MPLS 域 (MPLS domain) ：指该域中有许多彼此相邻的路由器，并且所有的路由器都是支持 MPLS 技术的标记交换路由器 LSR (Label Switching Router)。

LSR 同时具有标记交换和路由选择这两种功能。标记交换功能是为了快速转发，路由选择功能是为了构造转发表。

4）MPLS 的基本工作过程

（1）找出标签交换路径 LSP。

各 LSR 使用标签分配协议 LDP (Label Distribution Protocol) 交换报文，找出和标签相对应的标签交换路径 LSP (Label Switched Path)。整个标签交换路径就像一条虚连接一样。

（2）打标签，然后转发。

入口节点 (ingress node) 给进入 MPLS 域的 IP 数据报打上标签（实际上是插入一个 MPLS 首部），并按照转发表把它转发给下一个 LSR。以后的所有 LSR 都按照标签进行转发。

给 IP 数据报打标签的过程叫做分类 (classification)。

（3）标签对换。

一个标签仅在两个 LSR 之间才有意义。

LSR 要做两件事：转发，更新标记。

更新标记：把入标记更换成为出标记。称之为标签对换 (label swapping)。

（4）去除标签。

当分组离开 MPLS 域时，MPLS 出口节点 (egress node) 把分组的标签去除。

把 IP 数据报交付给非 MPLS 的主机或路由器。

这种“由入口 LSR 确定进入 MPLS 域以后的转发路径”称为显式路由选择 (explicit routing)。

与互联网中通常使用的“每一个路由器逐跳进行路由选择”有着很大的区别。

2、转发等价类 FEC

1）给 IP 数据报打标签的过程叫做分类 (classification)。

第三层（网络层）分类：只使用 IP 首部中的源和目的 IP 地址等。

大多数运营商实现了第四层（运输层）分类：除了要检查 IP 首部外，运输层还要检查 TCP 或 UDP 端口号。

有些运营商则实现了第五层（应用层）分类：进一步地检查数据报的内部并考虑其有效载荷。

2）转发等价类 FEC (Forwarding Equivalence Class) ：路由器按照同样方式对待的分组的集合。

按照同样方式对待含义：从同样接口转发到同样的下一跳地址，并且具有同样服务类别和同样丢弃优先级等。

例如： (1) 目的 IP 地址与某一个特定 IP 地址的前缀匹配的 IP 数据报； (2) 所有源地址与目的地址都相同的 IP 数据报； (3) 具有某种服务质量需求的 IP 数据报。

3）划分 FEC 的方法不受限制，由网络管理员来控制。

入口节点并不是给每一个 IP 数据报指派一个不同的标签，而是将属于同样 FEC 的 IP 数据报都指派同样的标签。

FEC 和标签是一一对应的关系。

3、FEC 用于负载平衡

自定义的 FEC 可以更好地管理网络的资源。这种均衡网络负载的做法也称为流量工程 TE (Traffic Engineering) 或通信量工程。

4.9.2  MPLS 首部的位置与格式

MPLS 不要求下层的网络都使用面向连接的技术。

MPLS 采用封装技术：在把 IP 数据报封装成以太网帧之前，先要插入一个 MPLS 首部。

1、MPLS 首部的格式

给 IP 数据报打上标记就是在以太网帧首部和 IP 数据报首部之间插入一个 4 字节的 MPLS 首部。

（1）标签值（占 20 位），可以同时容纳高达 220 个流（即 1048576 个流）。

（2）试验（占 3 位）。保留用作试验。

（3） 栈S（占 1 位）。在有“标签栈”时使用。

（4）生存时间 TTL（占 8 位），用来防止 MPLS 分组在 MPLS 域中兜圈子。

4.9.3  新一代的 MPLS

MPLS 存在的问题：

控制协议（如 LDP）比较复杂，扩展性差，运行维护较困难。

协议 LDP 无法做到基于时延或带宽等要求的流量调度。

为灵活地选择流量的转发路径，还需要再使用资源预留协议 RSVP。但是： RSVP 的信令非常复杂，每个节点都要维护一个庞大的链路信息数据库。 RSVP 只会选择一条最优路径，不支持等价多路径路由选择 ECMP (Equal-Cost Multipath Routing) 。

1、段路由选择协议 SR 

新一代的 MPLS：段路由选择协议 SR (Segment Routing)。

段 (segment)：标签，是转发指令的一种标识符。

SR 工作原理： 基于标签交换，但不需要使用协议 LDP。 由源节点为发送的报文指定路径，并将路径转换成有序的段列表 (Segment List)，即 MPLS 标签栈，它被封装在分组首部。 网络中的其他节点就执行首部中的指令（即标签）进行转发。

2、控制器

即 SDN 控制器。负责： 收集并掌握全网的拓扑信息和链路状态信息，计算出分组应传送的整个路径。 给分组分配 SR 标签，指明分组从源点到终点的路径。

注：SR 向 IPv6 演进，这就是 SRv6。 SRv6 直接利用 IPv6 字段作为标签寻址 (Locator)。