MPLS基礎與工作原理

ZywOo發表於2022-05-17

MPLS Fundamental

History of WAN Protocol

  • 1970年代之前
    • 第一個 WAN 用於將辦公室與終端連線到大型機和小型計算機系統。
    • 它是從辦公室到資料中心的點對點連線。
    • 隨著使用者採用個人計算機和客戶端伺服器應用程式，點對點架構繼續為行業服務。
    • 當時使用的X.25 協議和 T1/E1 電路速率為1.5Mbps。
  • 1980 年代末和 1990 年代初
    • 幀中繼（X.25 的簡化版本）作為一種更靈活的方式出現，可將辦公室和分支機構位置連線到資料中心，通過 T1/T3 電路執行，提供高達 45Mbps 的速度。
    • 企業迅速採用幀中繼，隨後是非同步傳輸模式 (ATM)。
      • ATM 的功能類似於幀中繼，但 ATM 旨在為在同一網路上執行的語音、視訊和資料提供更好的體驗。 並且提供了高達 622Mbps的速率。
  • 2000年代初
    • MPLS 最初由服務提供商部署，這些服務提供商在從傳統的基於電路的網路架構過渡時也採用了 MPLS。
    • 資料包被分配標籤並根據標籤頭做出轉發決策（在早期，這樣的轉發資料方式是更快的）。
  • 2000 年代中後期
    • 網際網路作為企業 WAN 連線的一種選擇迅速出現。
    • 網際網路頻寬既便宜又充足。
    • 許多企業使用蜂窩服務作為 ISP 的備用連線。
  • 2010年代
    • SD-WAN（軟體定義廣域網）。

Multiprotocol Label Switching(MPLS)

  • MPLS 是一種資料包轉發方法，它根據標籤而不是資料包的第三層目的地做出轉發決策。

    • 對於今天的路由器，MPLS 並不比傳統的 IP 路由快多少。

  • MPLS 旨在支援（傳輸）許多不同的第三層協議。

    • 例如單播路由、多播路由、VPN、流量工程 (TE)、QoS 和 MPLS 上的任何傳輸 (AToM)

  • MPLS名詞介紹

    • LSR = 標籤交換路由器（Label Switching Router）
    • LIB = 標籤資訊庫（Label Information Base）
    • LFIB = 標籤轉發資訊庫（Label Forwarding Information Base）
    • LDP = 標籤交換協議（Label Distribution Protocol）
    • LSP = 標籤交換路徑（Label Switched Path）
    • CE = 客戶邊界（Customer Edge）
    • PE = 運營商邊界（Provider Edge）
    • P = 運營商路由器（Provider Router）
    • LER = 標籤交換路由器（Label Edge Router）

MPLS is not VPN

  • MPLS是一個基於標籤的最短路徑路由流量的技術。
  • VPN則是一個概念——基於公有網路的專有網路連線。

這篇文章將著重討論MPLS Layer 3 VPN——即基於MPLS + VRF的VPN（ IPv4-over-MPLS ）。以及其他MPLS相關技術。

LSR Control Plane & Data Plane

標籤交換路由器分為控制層面和資料層面。

在傳統IP路由中，路由器通過路由協議生成路由表（控制層面），再由路由表生成轉發表用於硬體轉發資料（例如Cisco的CEF技術）。

在執行MPLS的路由器上，LDP用於和其他執行MPLS的路由器交換標籤並生成LIB（控制層面），LIB會生成基於標籤進行轉發的表項——LFIB（資料層面）。

LSRs in MPLS Domain

在下面這張圖中，R1與R5是邊界LSR（資料流量為從左向右）。邊界LSR需要同時為IP與MPLS路由。

  • 在MPLS域的邊緣，為進入MPLS的資料包新增標籤（稱為ingress LSR）。

  • 在MPLS域的邊緣，為離開MPLS的資料包彈出標籤（稱為egress LSR）。

R2、R3和R4均為中間LSR（Intermediate LSR）。

  • 位於MPLS域內，主要使用標籤資訊轉發資料包。

LSP

Label-Switched Path（LSP）標籤交換路徑是標記資料包通過MPLS域的累計標記路徑。

這是一條單向路徑。因此源與目的地的來回路徑可能是不一致的。

沿著該路徑，每個路由器都會檢查標籤來做出轉發決定，移除或新增標籤（如果需要），然後轉發資料包。

下面這張圖簡單的解釋了MPLS是如何完成資料的轉發的。

  • 在192.168.0.0/24向10.0.0.0/24方向轉發資料時，邊界LSR首先為10.0.0.0/24分配了標籤87，並將帶有標籤87的資料包轉發至R2（此時開始使用標籤進行轉發）。
  • 在轉發資料至R2時，中間LSR將進站標籤為87的標籤替換為11，並繼續轉發至R3（此時使用的表均為LFIB）。
  • 像如此轉發資料至R5，R5發現出站標籤為空，則將標籤彈出，進入FIB進行IP路由。

Label

要深入理解MPLS的轉發機制，繞不開的是MPLS中的標籤（Label）如何被利用於轉發，如何產生，以及如何交換這三個問題。

為了能夠讓MPLS工作，每一個資料包都需要插入標籤（準確說，實際插入的是一個Label Stack）。標籤被插入在二層幀頭和三層包頭之間（準確說，應該是插入在二層幀頭之後，因為MPLS能夠承載多種協議）。

標籤大小為4個位元組幷包含不同欄位：

  • Label
    • 前 20 位用於定義標籤編號。
  • EXP（TC）
    • 接下來的 3 位（EXP）用於QoS和ECN（顯式擁塞通知）。
  • S
    • 1 位（S）欄位用於定義標籤是否是堆疊中的最後一個標籤。
    • 普通的MPLS只有一層標籤，但MPLS VPN則有兩層標籤，MPLS TE則有三層標籤。
  • TTL
    • 最後 8 位（TTL）類似於IP TTL。

Label Stack

在MPLS中，一個資料包不止可以攜帶一個標籤，而且可以攜帶一疊標籤，如下圖。

可見多個MPLS shim組成了一個MPLS label stack。

具體label stack的排序如下圖。可見，在棧底的shim的S欄位為 1，所以可見的是該標籤為棧底標籤。

Cisco定義Label stack中的label數量沒有上限。

Assign Label to Network

啟用了MPLS的路由器會為所有他們已知的網路分配標籤（不包括BGP路由）。系統會為路由隨機分配一個編號，這個編號僅具有本地意義。

例如在下圖中，假設下面5個路由器執行OSPF獲得了10.0.0.0/24這個網段，它們各自都給該網段分配了一個編號。

LDP

LDP（Label distribution protocol）標籤分發協議。

如下圖，假設R4需要將10.0.0.0/24網段的資料轉發給R5。

  • 那麼R4必須要知道R5針對於10.0.0.0/24所分配的標籤（因為R5只有自己認識收到資料包的標籤才能進行下一步轉發）。
  • 且在轉發資料包的過程中需要將R5分配給10.0.0.0/24網段的標籤放入其中。
  • 因此R4與R5之間需要使用LDP來交換互相的標籤。
  • 那麼一旦在介面上啟用了MPLS，LDP Hello資料包就會從介面發出，傳送到多播地址224.0.0.2，使用UDP 646埠。
    • Hello包中攜帶了LDP ID，LDP ID類似於Router ID，它唯一標識了鄰居和Label Space。而Label Space分為兩種。
      • Per platform（平臺式），在所有介面上，對於相同網路釋出的標籤也是相同的。
      • Per interface（介面式），在不同的介面上，對於相同網路釋出的標籤是不同的。
  • 當路由器通過組播地址發現對方後，會使用TCP 646埠建立TCP連結，形成LDP TCP會話，以便交換標籤資訊。
    • 在兩臺路由器建立LDP TCP會話時，必須有一方為活動路由器。
    • 活動路由器負責建立TCP會話，LDP ID較大的路由器會被選擇為活動路由器。

在上文中，我們可以得知，上面的R1至R5使用LDP交換了對於10.0.0.0/24這一網段的標籤資訊，那麼此時會引申出一個問題——在一臺路由器上收到了一個網路的多個標籤，路由器會怎麼處理呢？

下面我們來探究這個問題，在下圖中，標識了各個路由器的LIB（標籤資訊庫）。

  • 各個路由器通過LDP都收到了各自鄰居針對10.0.0.0/24的標籤資訊，並記錄在了LIB中，然而LIB並不是直接用於轉發資料的。需要通過LIB+RIB得出資料真正的轉發路徑。

路由器是如何通過LIB+RIB確定出真正的轉發路徑呢？具體步驟如下。

  • 首先MPLS網路中需要執行路由協議來傳遞路由資訊，從而形成RIB（路由資訊庫）。
  • 其次執行MPLS後，LDP開始工作，當形成LIB後，通過RIB確定正確的轉發路徑，並載入LFIB中。使用R4和R5舉例。
    • 當形成LFIB時，R4通過查詢RIB得知，去往10.0.0.0/24網段需要將路由轉發給R5。
    • 此時R5也通過LDP將自身對於10.0.0.0/24網段的標籤傳遞到R4上。
    • R4將自身針對該網段和下一跳路由器針對該網段的標籤相結合寫入LFIB中。
    • 那麼前往10.0.0.0/24的資料就能夠通過LFIB進行轉發。
      • 至此，當R4收到標籤為65的資料包時，將會彈出標籤65，壓入標籤23，並將其轉發給R5。
  • MPLS域中的所有路由器重複上述的過程，就能夠確立出一條正確的轉發路徑。
  • 至此，除了Edge LSR需要進行IP路由，中間LSR可以全部通過MPLS進行資料轉發。
    • Edge LSR的FIB略有不同，因為執行了MPLS，FIB中並沒有路由的下一跳資訊，而是打上標籤或移除標籤。

Egress LSR Double Lookup

例如R5收到10.0.0.0/24的資料包時需要做兩次查詢，首先查詢LFIB表，其次查詢FIB表。

首先是因為它收到了一個帶有Label的資料幀，它需要查詢LFIB表，但由於沒有Label Out，它必須彈出標籤並繼續查詢FIB表來轉發資料。

這樣的效率並不高。

Penultimate Hop Popping（PHP）

Penultimate Hop Popping 倒數第二跳（又稱次末跳彈出）是一種優化機制，如下圖所示。

當啟用PHP後，R5並不會將之前一樣向R4宣告自己的標籤，而是宣告了彈出（POP）這個動作。那麼R4就會在轉發的過程中，將剩餘的標籤彈出，並轉發給R5。

那麼當R5收到不附帶標籤的資料包後，就會直接查詢FIB進行轉發，免去了查詢LFIB的動作，提高了效率。

實際上呢，R5告訴R4自己是10.0.0.0/24網路的LSP的末端，並且R4應該彈出標籤，並且將無標籤的資料包轉發給R5。

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