MPLS多协议标签交换

MPLS采用短而定长的标签进行数据转发，大大提高了硬件限制下的转发能力；而且MPLS可以扩展到多种网络协议（如IPv6，IPX等）。
概述
MPLS头部放在2.5层
分类
- 基于帧的MPLS（分组网络，IP网络）,DU的方式
- 基于信源的MPLS（电路交换网络，ATM），DoD的方式
MPLS基本结构
1. LSP：标签交换路径，即到达同一个目的地址的报文在MPLS网络中经过的路径
  - LER：用于标签压入或弹出
    - 入口的LER称为入节点，出口的LER称为出节点
  - LSR：用于标签的交换
    - 位于中间的LSR称为中间节点
2. FEC（转发等价类）：指具有相同转发处理方式的报文。在一条LSP上不同节点被用相同方式转发的报文。去往不同目的地址但匹配相同路由的报文是最常见的FEC分类方式
MPLS体系
- 控制层面
  - 路由信息表（RIB）：由IP路由协议生成，用于选择路由
  - 标签分发协议（LSP）：负责标签的分配、标签转发信息的建立、标签交换路径的建立、拆除
  - 标签转发表（LSB）：由标签分发协议生成，用于管理标签信息
- 转发层面：
  - 转发信息表（FIB）：从RIP提取必要的路由信息生成，负责普通IP报文转发
  - 标签转发信息表（LFIB）：由标签分发协议建立LFIB。负责带MPLS标签报文的转发
- 路由转发：控制层面运行路由协议，生成路由表，路由表下发到转发层面转发。
- 标签转发：在控制层面运行一个标签分发协议(LDP)，根据路由表的路由条目生成标签信息（LIB），最后生成LDP生成一个标签转发表（LFIB）
MPLS数据报文结构
- 标签的长度为4个字节，共4个字段
  - Label：20bit，标签值域
  - Exp：3bit，用于扩展，现在通常做CoS（class of service），当设备发送阻塞时，优先转发优先级高的报文
  - S：1bit。栈底标识。MPLS支持多层标签，即标签嵌套，S值为1时标识为最底层标签
  - TTL：8bit，和IP报文中的TTL意义相同
- 标签空间是指标签的取值范围
  - 0~15：特殊标签。如标签3，称为隐式标签。用于倒数第二跳弹出
  - 16~1023：静态LSP和静态CR-LSP共享标签
  - 1024及以上：LDP、RSVP-TE、MP-BGP等动态信令协议的标签空间

LSP的建立方式

静态LSP：
- 用户通过手工方式为各个转发等价类分配标签建立转发隧道
- 不需要通过标签分发协议，不需要交换控制报文，资源消耗比较小
- 通过静态方式建立的LSP不能根据网络拓扑变化动态调整，需要管理员干预。
  
  适用于图片简单并稳定的网络
动态LSP：通过标签发布协议（LDP）动态建立转发隧道，实现对FEC的分类，标签的分配及LSP的建立和维护
- 组网配置简单，易于管理和维护
- 支持基于路由建立LSP，网络拓扑发生变化时，能及时反映网络状况
- 对于直连的loopabck接口的32位主机路由做为ergess产生LSP
- 对于非直连的32位主机路由，做为ingress和transit产生LSP

转发过程

基本概念
- Tunnel ID：为了给使用隧道的上层应用（如VPN、路由管理）提供统一的接口，系统自动为隧道分配了一个ID，也称为Tunnel ID。本地有效
- NHLFE：下一跳标签转发表项。用于指导MPLS报文的转发。
  - 包含Tunnel ID、出接口、下一跳、出标签、标签操作类型等信息。
- ILM
  - 入标签到一组下一跳标签转发表项的映射称为入标签映射ILM
  - ILM包括：Tunnel ID、入标签、入接口、标签操作类型等信息。
  - ILM在Transit节点的作用是将标签和NHLFE绑定。通过标签索引ILM表，就相当于使用目的IP地址查询FIB，能够得到所有的标签转发信息。
Ingress的处理（查询FIB表和NHLFE表 指导报文的转发）
- 当收到普通IP报文时，查找FIB表，如果Tunnel ID
  - 为0x0，则普通IP转发。非0x0，则进行MPLS转发
- 根据FIB表的Tunnel ID找到对应的NHLFE表，将FIB表项和NHLFE表项关联起来
  - 查看NHLFE表要开启诊断视图diagnose
- 查看NHLFE表项，可以得到出接口，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报文发送给下一跳。
Transit的处理（查询ILM表和NHLFE表 指导MPLS报文的转发）
- 根据MPLS的标签值查看对应的ILM表，可以得到Tunnel ID。
- 根据ILM表的Tunnel ID找到对应的NHLFE表项。
- 查看NHLFE表项，可以得到出接口、下一跳、出标签和标签操作类型。
- MPLS报文的处理方式根据不同的标签值而不同。
  - 如果标签值>＝16，则用新标签替换MPLS报文中的旧标签，同时处理TTL，然后将替换完标签的MPLS报文发送给下一跳。
  - 如果标签值为3，则直接弹出标签，同时处理TTL，然后进行IP转发或下一层标签转发。
Egress的处理（查询ILM表指导MPLS报文的转发或查询路由表指导IP报文 转发）
- 如果Egress收到IP报文，则查看路由表，进行IP转发。
- 如果Egress收到MPLS报文，则查看ILM表获得标签操作类型，同时处理TTL。
  - 如果标签中的栈底标识S=1，表明该标签是栈底标签，查找路由表后直接进行IP转发。
    - 会造成两次查表，一次标签转发表，一次路由表
    - 可以在上一条提前弹出，即会向上一跳分配3的弹出标签
  - 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。

LDP

标签分发，发布方式，控制方式，保持方式

对自身非直连的主机路由做的入节点和中间节点的LSP，始发路由做出节点的LSP
LSP触发策略：默认情况下华为路由器仅为非物理接口主机路由产生LSP，即为/32掩码长度的loopback口路由产生LSP。
直连loopback口主机路由作为egress创建LSP。非直连主机路由作为ingress和transit创建LSP
标签发布方式
- DU（下游自主方式）：对于一个到达同一目的地址报文的分组，LSR无需从上游获得标签请求即可进行标签分配与分发（华为默认）
  - 无需等待上游请求，可以直接分配标签，在网络拓扑发生变化时，采用DU可以快速反应为新拓扑分发标签，收敛时间先对于DOD较短
- DOD（下游按需方式）：对于一个到达同一目的地址报文的分组，LSR获得标签请求之后才进行标签分配与分发
控制方式
- Independent(独立标签分配控制方式):本地LSR可以自主地分配一个标签绑定到某个IP分组，并通告给上游LSR，而无需等待下游的标签。
- Ordered(有序标签分配控制方式):只有当该LSR已经具有此IP分组的下跳的标签，或者该LSR就是该IP分组的出节点时，该LSR才可以向上游发送此IP分组的标签。（华为默认）
标签的保留方式
- Liberal(自由标签保持方式):对于从邻居LSR收到的标签映射，无论邻居LSR是不是自己的下一跳都保留。（华为默认）
  - 可以直接利用原来非下一跳邻居发来的标签，迅速重建LSP，但需要更多的内存和标签空间
- Conservative(保守标签保持方式):对于从邻居LSR收到的标签映射，只保留当前最佳下一跳（由 IGP 选出的最优路径）发来的标签。
  - 只保留来自下一跳邻居的标签，节省空间，但邻居重建慢

工作机制

相邻的LDP路由器都会建立邻居
- 接口发送LDP的hello报文，DIP为224.0.0.2，使用UDP的646端口
- hello报文中携带传输地址，默认是LSR-ID
建立邻居后传输地址大的一方向传输地址小的一方发起TCP646的连接，进行LDP会话的建立

注意：LDP会话是建立在传输地址之间的
Initialization（会话初始化）
- 通过 TCP 通道交换 Initialization 消息，成功后发送keeplive报文，会话建立成功
- 协商参数：LDP 版本、标签分配模式（DU/DoD/On-demand）、Keepalive 时间等 → 协商成功 → LDP 会话正式建立
Session（会话维护）
- 双方周期性发送 Keepalive 消息 → 保持会话存活（默认每 60s 发一次，Holdtime 180s）
Advertisement（标签通告阶段）
- 双方开始发送 Address 消息（通告自己用于 TCP 连接的地址，通常是 Router ID）
- 接着发送 Label Mapping 消息（FEC → Label 绑定） → 互相学习对方的标签映射 → 构建 LFIB（标签转发表）
- Incoming Label = 我收到的标签（别人打的）
- Outgoing Label = 我发出去的标签（我要打给下家的）
Notification（通知）
- 用于报告错误、撤回标签、会话异常等（例如标签释放、会话关闭等）,一旦收到则会断开TCP会话

LDP建立过程

RTD上存在100.1.1.1/32的主机路由，因为RTD是Egress节点，所以直接向自己上游邻居RTC发布100.1.1.1/32与标签的绑定关系;
RTC收到下游邻居RTD分配的100.1.1.1/32的绑定关系后，将标签记录在自己的LIB表中，并向上游邻居RTB发布100.1.1.1/32与标签的绑定关系，同时RTC查看自己IP路各由表中到达100.1.1.1/32的下一跳是否为RTD，如果IP路由表中的下一跳为RID，则RTC保留RTD分配跳为RTD，如果IP路由表中的下一跳不是RTD，则RTC使用RTD分配的标签作为备用标签
RTB收到下游邻居RTC分配的100.1.1.1/32与标签的绑定关系后，执行与RTC相同的动作;
RTA收到下游邻居RTB分配的100.1.1.1/32与标签的绑定关系后，查看自己IP路由表中到达100.1.1.1/32的下一跳是否为RTB，如果IP路由表中的下一跳为RIB，则RTA使用RTB分配的标签封装到达100.1.1.1/32的数据，如果IP路由表中的下一跳不是RTB，则RTA保留RTB分配的标签作为备用。因为RTA为ingress，最终道德100.1.1.1/32的LSP完成建立