MPLS系列之一：Multi Protocol Label Switch-Basic 【介绍了原理、

2024-02-04 19:29:52

说明

Multi Protocol Label Switch（ MPLS，多协议标签交换），MPLS属于第三代网络架构，是新一代的IP高速骨干网络交换标准。

MPLS出现的历史，看看也好嘿嘿！

在internet早期，随着普及的情况下，当时的硬件技术限制，采用的是最长匹配算法，递归查询的方式，给当时的骨干网发展提出了一个难题，在这种情况下ATM脱颖而出，ATM采用定长的标签，并且只需要维护比路由表小的标签表，便提供更高效率的转发性能和高带宽、QOS功能。但是由于ATM机制太过复杂，设备又非常昂贵，给调试人员带来了很大的困难。在这种情况下，许多产商开始开发研究，把IP和ATM的优势结合的技术，最早由美国一家IPSilon的小公司推出了名为IP Switching，它很好的结合了ATM和IP的优势，随之Cisco(Tag switch）、IBM（ARIS）、3COM（FashtIP）各个产生都推出了自己的技术，为了统一标准 IETF推出了标准化的定义，它就是MPLS。
随着ATM的慢慢退出，和IP的路由转发依靠硬件来完成(比如cisco的CEF)，MPLS的优势越来越少，但是MPLS提供的高扩展性非常强，在ISP的发展下,***的需求越来越大，而MPLS 正好提供了天然的隧道，而且在流量控制、和多协议方面的支持(IP、IPV6、二层帧头等)，那么就产生了MPLS ***和各种多业务的扩展应用。被运营商大量使用提供不同需求的业务。

MPLS的包结构

Label：20bit 2^0~2^20-1，也就是1048575个标签，0~15做保留
其中0做显示空（NULL，用于QOS 只看EXP 忽略查找LFIB）
3是隐式空（通知次莫跳执行TAG动作）
1 为路由器报警标签 14 是OAM报警
EXP：扩展应用如果是IP包中的3bit为IP precedence
S：栈底位 0与1 1代表1层 0代表多层（MPLS ***为二层 MPLE TE two or more）
TTL：防环机制

MPLS在二层的帧头之后，和三层头部之前插入一个字段，所以也被成为2.5层协议，也正因为这样它能优于IP进行快速的转发。这时候除了插入Label字段以外，二层帧头的type字段也需要改变，比如EtherⅡ在没插入之前，type=0x0800,表示上层协议为IP，那么在插入标签以后，type会改变为0x8847(单播IP的）还有一个表示为0x8848(组播)，我们常用的是frame-mode

MPLS用一个短而定长的标签来封装网络层分组，交换机或路由器根据标签值转发报文。MPLS指的多协议是：可以承载在各种链路层协议上：PPP ATM FR。

FEC：（Forwarding Equivalence Class）转发等价类： FEC是在转发过程中以等价的方式处理一组数据分组。

LSP：（Laber Switching Path）标签交换路径：一个FEC数据流，在不同的节点被赋予确定的标签，数据转发按照这些标签进行，这个路径就成为LSP。

LDP：（Label Distribution protocol，标签分发协议 RFC3036）：用于LSR之间分配标签，建立LSP

LSR: 标签交换路由（MPLS 域内路由器）
Edge LSR : IP与MPLS域之间（负责压入与弹出标签）

LDP的建立机制

LDP消息类型：
1、发现消息（Discovery messages) 用于LDP邻居的发现和维持
2、会话消息（Session messages）用于LSP邻居会话的建立、维护和终止
3、通告消息（Advertisement messages）用于LDP邻居之间的Laber、地址等信息交互
4、通知消息（Notification Messages）用于向LDP邻居通知事件或者错误。

LDP会话的建立和维护：
1、邻居建立：通过互发hello包(UDP/port:646/ip:224.0.0.2)
2、建立TCP连接：由地址大的一方主动发起。(TCP/port/:646)
3、会话初始化：由master发出初始化消息，并携带协商参数。由slave检查参数能否接受，如果能则发送初始化消息，并携带协商参数。并发送keepalive消息，master收到后检查参数匹配，匹配上发送keepalive消息互相收到后，会话建立。
4、会话维护：期间收到任何错误消息，会话就断开与TCP连接。上游与下游：数据转发先到的为上游，后到达的为下游，那么标签分发与路由更新正好相反，从下游到上游。

标签分配模式：DOD(downstream-on-demand，下游按需分配)：只有当上游向下游请求的时候，才会为这个FEC信息分配标签
DU(downstream unsolicited，下游自动分配)：只要与上游建立会话连接，主动为上游分配标签。

标签控制模式：有序方式(Ordered)：只有等下游更新了标签信息给上游，上游才会跟新。

独立方式(Independent)：就算没有收到下游的标签信息，也会向上游发送标签信息。

标签保守方式: 保守模式 (Conservative)：只会保留来自最近的下一跳邻居标签信息。

*模式(Liberal)：保留所有来自邻居的标签信息。

现在的MPLS 都是采用DU 有序 *模式来完成MPLS

LDP使用的是UDP/TCP的端口号为646，目的地址为224.0.0.2发送hello包，只要运行LDP的路由器都会收到，在LDP的hello中Transport address 会携带在hello包中，表示想与邻居建立LDP的关系，通常情况下Transport address与LDP ID是一致的。
Transport adress的作用是，当双方交换hello包以后，由Transport address地址大的一方发起LDP的连接，而小的一方永远是被动的。
Transport Address选举：根据自己指定或者自动选择根据loopback 优先，然后物理接口。

Cisco在MPLS出现之前使用的是TDP，使用TCP/UDP 711号端口，但是在IOS 12.4以后默认选择是LDP了。
注意的是，虽然MPLS 理论上被认为是2.5层的协议，但是它的工作机制完全依靠IGP来完成，所以IGP的收敛决定了LDP的收敛速度。

下面是关于LSR和Edge的基本工作原理，实在不会画图，所以有从PPT里面截图下来了。

LSR的工作机制，假设当在一个运行IGP OSPF的MPLS Domain中，LSR路由器收到一个关于10.0.0.0/8这个网络的信息，它会用OSPF的LSA告诉其他邻居，当OSPF传递完成后，LDP开始为这条路由分配标签信息，它从左边邻居收到一个标签信息，这个标签告诉本地路由器，要想去往10.0.0.0/8这个网络打上标签17，与此同时本地也会产生一个关于这个路由条目的标签信息，这里为24，它会通告给其他LDP邻居。假设右边有台路由器要访问10.0.0.0/8这个网络，那么它只需要打上24的标签交给LSR路由器，LSR通过LFIB中的标签转换后，把24去掉，置换成17标签交给左边路由器。
注意的是：LDP只为IGP分配标签，包括static、RIPv2、EIGRP、ISIS、OSPF，并且默认是打开的，只要形成了LDP邻居关系，就会为每一条路由前缀分配标签，而BGPv4只会为IPv4的unicast router分配标签，而且默认是关闭的，但是BGP可以借用关于下一跳的由LDP分配的标签信息。这个可以在下面的实验中体现出来。

它也相当于后面的MPLS ***中的P路由器，它分为control plane 和Data Plane，Control Plane首先依赖于IGP协议的收敛完成，构建成IP Routing Table(cisco CEF机制表示为FIB)，然后LDP开始为每一条路由分配标签会现成一个LIB数据库，最后关联到LFIB表中，它由FIB和LIB共同完成，包含的信息包括出接口和最优标签绑定，这个为Date Plane，决定数据转发。
什么是最优标签呢，比如下面这个图，Router-R4身后有个4.4.4.4的条目，Router-R4会为这个条目分配一个标签，并且传递给Router-R2，Router-R3，Router-R2,Router-R3也会本地产生一个标签传递给邻居，假设Router-R1去往这个4.4.4.4的路径Router-R2比Router-R3的cost的小，那么在路由条目中，只会显示下一跳为Router-R2，而不是Router-R3，那么出现在LFIB表中的就是关于Router-R2分配的关于4.4.4.4的标签信息和出接口，而Router-R3分配的标签信息还是会保存在本地LIB表中，当Router-R2出现了故障以后，它会自动切换到Router-R3上，并且把LFIB表中的标签绑定改为Router-R3所分配的。 LFIB表中只会显示FIB里面最优路径的下一跳标签信息(根据LIB数据库中保存的label信息），如果是负载均衡的话，那么标签也会负载均衡。

这时候，一个数据包过来的话，那么它只会查看LFIB表，而不去关心路由表，因为LSR属于MPLS Domain的内部路由器，所以这个数据包肯定是打了标签的，这样必须保证在单一的MPLS Domain中一定要保持标签的连续性。

它在MPLS ***中也叫PE路由器，它也分为Control Plane和Date Plane，首先也由IGP协议来完成路由的收敛，形成FIB表，然后LDP为每一条路由前缀分配标签信息，保存在LIB表中。
Data Plane会引用FIB表(IP Forwaring Table)，但是这个FIB表关联了标签信息，当一个纯IP数据包过来以后，它查看关于这个目的网络是否有标签信息，如果有直接压入这个标签信息交给LFIB转发。如果没有就直接由IP包转发。
LFIB表(由FIB和LIB构成），它负责标签的置换、压入和弹出。如果弹出以后变成纯IP包，交给FIB转发。
Edge LSR（PE）它的Data Plane由FIB和LFIB共同完成，它决定一个纯IP数据包是否需要压入标签，和一个标签数据包是否弹出标签转发给IP域。
关于MPLS的几张表项总结
RTB：由IGP协议生成的路由表，会选出最优的路径。
FIB：通过RTB生成的CEF表，同时会把LIB中关于这条最优路径的标签信息关联CEF表中。当纯IP包进来 | 或者label出来的时候，会通过FIB里面对应的标签进行压入或者弹出。
LFIB：（动态）进出标签与下一跳关联
LIB：（静态）LDP或者TDP协议产生的本地以及邻居的标签
LFIB是通过LIB与FIB关联的一张动态标签表

这张表体现了MPLS TE 、MPLS ***等Control Plane和Date Plane的形成。

Penultimate hop Popping(次莫跳）

当一个IP包从Eage 过来通过FIB来查询是否压入标签，通过标签表发给P节点，查看LFIB，执行转换动作，当Eage LSR收到后，执行POP后，会再查询下一跳，把IP包转发出去。但是Eage LSR的负担和数据包转发延迟会加大，PHP解决的是，如果边界网络的话，会发出PHP的指令给次莫跳，由它来完成POP动作，自己只查询FIB表负责下一跳。 (POP动作为弹出一层标签)。

MPLS的TTL

两种机制：1、在MPLS中会借用三层的TTL值，经过一个路由器会减一，当到次莫跳的时候，会把MPLS中的TTL还原到IP层中。
2、边界PE上关闭 TTL传播。这样不会关注三层的TTL，此时三层TTL为1 ，直接在MPLS上附加为255，当次莫跳的时候，会还原为1，当目的收到后就变成0丢弃。这样客户只能看到边界与目的的设备中间的看不到，包含了ISP的网络。

MPLS的标签状态

impose：压入标签
Swap ：一个标签变成另外一个label or stack
POP:弹出一层标签，一般为只有一层，而且是邻居告知的
untagged：不是邻居告诉我的，而是自己发现的标签全部弹出
aggregate：出现递归的查询，一般出现错误的配置或者目的为自己的直连

实验部分了，实验目的不是为了做通这个实验，而是分析标签的置换过程，MPLS难点就是在于这，理论部分很好理解。

拓扑

Router-R1有两个loopback，一个为1.1.1.1/24，一个为11.11.11.11/24，Router-R2—Router-R4各有一个32位环回口。 Router-R5也有两个loopback口，一个为5.5.5.5/24，一个为55.55.55.55/24。 IGP使用的为OSPF，这个能体现出很多问题出来。Router-R1和Router-R5建立IBGP邻居，最后达到的目的是，11.11.11.11能够ping通55.55.55.55

在CISCO上MPLS ***必须开启CEF，CEF唯一一种提供MPLS标签插入的转发机制。
先构建底层通信，(在BGP和MPLS中底层通信依靠IGP来完成，所以后续指的底层都为IGP)
Router-R1
Router-R1(config)#int s1/0
Router-R1(config-if)#ip add 12.1.1.1 255.255.255.0
Router-R1(config-if)#no shut
Router-R1(config-if)#int lo 1
Router-R1(config-if)#ip add 11.11.11.11 255.255.255.0
Router-R1(config-if)#int lo 0
Router-R1(config-if)#ip add 1.1.1.1 255.255.255.0

Router-R2
Router-R2(config)#int s1/0
Router-R2(config-if)#ip add 12.1.1.2 255.255.255.0
Router-R2(config-if)#no shut
Router-R2(config-if)#int lo 0
Router-R2(config-if)#ip add 2.2.2.2 255.255.255.255
Router-R2(config)#int s1/1
Router-R2(config-if)#ip add 23.1.1.1 255.255.255.0
Router-R2(config-if)#no shut

Router-R3
Router-R3(config)#int s1/1
Router-R3(config-if)#ip add 23.1.1.2 255.255.255.0
Router-R3(config-if)#no shut
Router-R3(config-if)#int s1/2
Router-R3(config-if)#ip add 34.1.1.1 255.255.255.0
Router-R3(config-if)#no shut
Router-R3(config-if)#ip add 3.3.3.3 255.255.255.255
Router-R4
Router-R4(config)#int s1/2
Router-R4(config-if)#ip add 34.1.1.2 255.255.255.0
Router-R4(config-if)#no shut
Router-R4(config-if)#int s1/3
Router-R4(config-if)#ip add 45.1.1.1 255.255.255.0
Router-R4(config-if)#no shut
Router-R4(config-if)#int lo 0
Router-R4(config-if)#ip add 4.4.4.4 255.255.255.255

Router-R5
Router-R5(config)#int s1/3
Router-R5(config-if)#ip add 45.1.1.2 255.255.255.0
Router-R5(config-if)#no shut
Router-R5(config-if)#int lo 0
Router-R5(config-if)#ip add 5.5.5.5 255.255.255.0
Router-R5(config-if)#int lo 1
Router-R5(config-if)#ip add 55.55.55.55 255.255.255.0
开始IGP的构建 OSPF
Router-R1(config-if)#router ospf 1
Router-R1(config-router)#router-id 1.1.1.1
Router-R1(config-router)#network 12.1.1.1 0.0.0.0 a 0
Router-R1(config-router)#network 1.1.1.1 0.0.0.0 a 0

Router-R2(config-if)#router ospf 1
Router-R2(config-router)#router-id 2.2.2.2
Router-R2(config-router)#network 2.2.2.2 0.0.0.0 a 0
Router-R2(config-router)#network 12.1.1.2 0.0.0.0 a 0
Router-R2(config-router)#network 23.1.1.1 0.0.0.0 a 0

Router-R3(config-if)#router ospf 1
Router-R3(config-router)#router-id 3.3.3.3
Router-R3(config-router)#network 3.3.3.3 0.0.0.0 a 0
Router-R3(config-router)#network 23.1.1.2 0.0.0.0 a 0
Router-R3(config-router)#network 34.1.1.1 0.0.0.0 a 0

Router-R4(config-if)#router ospf 1
Router-R4(config-router)#router-id 4.4.4.4
Router-R4(config-router)#network 4.4.4.4 0.0.0.0 a 0
Router-R4(config-router)#network 34.1.1.2 0.0.0.0 a 0
Router-R4(config-router)#network 45.1.1.1 0.0.0.0 a 0

Router-R5(config)#router ospf 1
Router-R5(config-router)#router-id 5.5.5.5
Router-R5(config-router)#network 5.5.5.5 0.0.0.0 a 0
Router-R5(config-router)#network 45.1.1.2 0.0.0.0 a 0
在MPLS的学习中，建议要养成一个随手配置RID的习惯，无论是OSPF还是BGP，在MPLS ***中经常用的上。还有就是配置完毕后，先测试底层的连通性，在做后续的配置。

配置Router-R1和Router-R5的BGP
Router-R1(config)#router bgp 1
Router-R1(config-router)#bgp router-id 1.1.1.1
Router-R1(config-router)#neighbor 5.5.5.5 remote-as 1
Router-R1(config-router)#neighbor 5.5.5.5 update-source lo0
Router-R1(config-router)#network 11.11.11.0 mask 255.255.255.0
Router-R5(config-router)#router bgp 1
Router-R5(config-router)#bgp router-id 5.5.5.5
Router-R5(config-router)#neighbor 1.1.1.1 remote-as 1
Router-R5(config-router)#neighbor 1.1.1.1 update-source lo0
Router-R5(config-router)#network 55.55.55.0 mask 255.255.255.0

关于BGP正常建立了，也已经收到Router-R1传递过来的路由，在BGP表中为最优

路由表中也有关于11.11.11.0的表项，开始测试下关于去往11.11.11.11这个网段能放通信。

发现通信不了，虽然两边都收到了各自的路由，因为这是传统的IP网络，它会基于路由表的查找。首先在路由表中BGP关于11.11.11.0/24的下一跳为1.1.1.1也就是Router-R1的RID，然后继续查找路由表关于1.1.1.1怎么去，查表下一跳为45.1.1.1，这时候会以S：55.55.55.55 D：11.11.11.11 | ICMP 头部　｜　Date　发送给Router-R4,Router-R4收到以后，会查询路由表是否有关于去往11.11.11.11的条目，发现并没有，所以把数据包给drop了，如果以IP网络的解决办法就是NP课程提到过的 full mase 或者做RR。但是这样非常麻烦，也给ISP带来了额外的投资。

MPLS能够解决这个路由黑洞的问题，它能实现只需要两个边界设备之间建立IBGP邻居关系，来传递路由，内部路由器跟本不需要知道公网的路由条目信息，从而减轻内部路由器的投资和负担。公网上40多万条路由在以前的IP网络中，必须每个路由器都有明细的路由条目，否则会产生路由的黑洞。而MPLS出现解决了这个问题，利用的就是标签的置换。
在这个实验和后续的实验中，为了分析标签转换的方便，所以通过mpls label range 来限制标签的分发范围，因为标签只具有本地的意义，有可能本地产生的为16，邻居发送给我的也是16，限制标签范围这样对于刚学习这个来说，比较容易理解，到了后面领会了的话，完全没有必要使用这个命令了，这个命令在实际中是为了解决路由器负担而设计的。
MPLS的配置其实很简单，难点在于标签的置换。

Router-R1(config)#mpl
Router-R1(config)#mpls label range 100 199
Router-R1(config)#mpls ldp router-id lo 0
Router-R1(config)#int s1/0
Router-R1(config-if)#mpls ip
Router-R2(config)#mpls label range 200 299
Router-R2(config)#mpls ldp router-id lo 0
Router-R2(config)#int s1/0
Router-R2(config-if)#mpls ip
Router-R2(config-if)#int s1/1
Router-R2(config-if)#mpls
Router-R2(config-if)#mpls ip

Router-R3(config)#mpls label range 300 399
Router-R3(config)#mpls ldp router-id lo0
Router-R3(config)#int s1/1
Router-R3(config-if)#mpls ip
Router-R3(config-if)#int s1/2
Router-R3(config-if)#mpls ip
Router-R4(config)#mpls label range 400 499
Router-R4(config)#mpls ldp router-id lo 0
Router-R4(config)#int s1/2
Router-R4(config-if)#mpls ip
Router-R4(config-if)#int s1/3
Router-R4(config-if)#mpls i
Router-R5(config)#mpls label range 500 599
Router-R5(config)#int s1/3
Router-R5(config-if)#mpls ip
MPLS基本配置完毕了，这里我除了Router-R5全部手工指定了LDP的RID，这样对于网络的问题和故障的排错很有用，这里Router-R5没指定就是看下会出现什么样的错误。

Router-R5没有发现任何邻居，而Router-R4上关于s1/3接口也就是连接Router-R5的接口，显示no router，之前提到过LDP的RID是跟OSPF机制一样，优选选举loopback接口最大IP，然后物理口，这里55.55.55.55是BGP路由 Router-R4并不知道，所以显示为这个。所以在做MPLS ***实验的时候，关于OSPF BGP LDP的RID一定要手工指定，不然容易造成网络通信不正常。

修改命令。Router-R5(config)#mpls ldp router-id lo 0 force 必须加上force这个参数就是立即生效。
这样关于标签的分发就完成了，测试下Router-R1到Router-R5的通信问题。

开始分析它为什么能够通信。首先它是一个纯IP包过来查看是否需要压入标签，查看的是FIB表。

因为show ip cef detail的信息太多了，所以只查看了关于55.55.55.55的条目，发现它标签信息为204，之前提到过LDP只会为IGP分配标签，55.55.55.55这条路由是从BGP学习过来的，它的标签怎么来的，上面也提到过关于BGP默认不会分发标签，但是它能够借助LDP为它分配的下一跳的标签信息，从detail中看出55.55.55.55的下一跳就是5.5.5.5 也就是Router-R5 BGP的RID，关于5.5.5.5这个路由条路是在OSPF中宣告了的，所以它有标签信息。

5.5.5.5的标签信息跟55.55.55.55的是一样的。证明了BGP会借助LDP为它下一跳分配的标签信息。这个很重要，在后续的MPLS ***中更深入，需要理解。

这种表是LFIB表，发现去往5.5.5.5 打上标签204 送给出接口s1/0，其实它本地也生成了一个关于这个路由条目的标签信息 104，如果它还连接了其他MPLS路由器的话，会把这个标签传递给对方。

Router-R2—Router-R3标签置换都没问题，Router-R1到Router-R2打上204的标签出去，Router-R2关于5.5.5.5 本地204对应303从s1/1出去，Router-R3收到以后，置换成403转发给Router-R4，关键在于Router-R4.

之前提到过，关于PHP的机制，当一个最后一条路由器分发关于这个标签的时候，会发送一个标签3的信息给次莫跳，所以次莫跳会执行Pop动作，也就是弹出一层标签，这里5.5.5.5 在Router-R5是为最后一条路由器，它发送给Router-R4会发送标签3的信息，因为Router-R4是次莫跳，但是在这个LFIB表中，Router-R4去往Router-R5的标签动作不是Pop而是untagged，之前说过untagged的原因是本地发现的，而不是邻居告诉我的，它的作用是弹出所有的标签。那为什么Router-R1和Router-R5还能通信呢，这是因为MPLS的环境中，就一层标签，弹出标签以后发送给Router-R5的是纯IP的数据包，Router-R5是直连，所以并不会有什么问题，但是在MPLS ***中，通常是二层或者二层以上的标签，出现了untagged就表示所有标签都弹出了，这时候交给对方的话，没有内层的标签信息，就区分不了到低怎么转发了，导致***访问失败。

造成这个原因是OSPF有个机制，环回口默认情况下认为是末节主机，所以显示的为32位路由，为LDP是为每一条路由前缀分发标签的，这里5.5.5.5显示的是32位，而通告的是24位的，解决办法把网络类型改为point-to-point
这是Router-R4 show mpls ldp bindings 也就是LIB表的信息，查看关于路由分配的标签信息。发现5.5.5.0/24 tag为imp-null ，remote bingding只有关于3.3.3.3 Router-R3的，并没有关于Router-R5的信息。是不是32位的路由因该是LDP检测出来的，每台路由器运行了MPLS，就会为每一条路由分配标签并且发送个邻居，所以在LIB表中有24位的路由，但是本地的路由表中是32位的，所以它自己会生成一个32位的标签信息。. 像H3C juniper这些产商环回口必须32位的，感觉这样设置也挺合理。在MPLS ***中建议大家使用32位的环回口作为RID，避免不必要的麻烦。