详细解析MPLS转发原理

定义

多协议标签交换MPLS（Multiprotocol Label Switching）MPLS起源于IPv4（Internet Protocol version 4），其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6（Internet Protocol version 6）、IPX（Internet Packet Exchange）和CLNP（Connectionless Network Protocol）等。MPLS中的“Multiprotocol”指的就是支持多种网络协议。

由此可见，MPLS并不是一种业务或者应用，它实际上是一种隧道技术。这种技术不仅支持多种高层协议与业务，而且在一定程度上可以保证信息传输的安全目的90年代中期，随着IP技术的快速发展，Internet数据海量增长。但由于硬件技术存在限制，基于最长匹配算法的IP技术必须使用软件查找路由，转发性能低下，因此IP技术的转发性能成为当时限制网络发展的瓶颈。

为了适应网络的发展，ATM（Asynchronous Transfer Mode）技术应运而生。ATM采用定长标签，并且只需要维护比路由表规模小得多的标签表，能够提供比IP路由方式高得多的转发性能。然而，ATM协议相对复杂，且ATM网络部署成本高，这使得ATM技术很难普及。

传统的IP技术简单，且部署成本低。如何结合IP与ATM的优点成为当时热门话题。多协议标签交换技术MPLS就是在这种背景下产生的。

MPLS最初是为了提高路由器的转发速度而提出的。与传统IP路由方式相比，它在数据转发时，只在网络边缘分析IP报文头，而不用在每一跳都分析IP报文头，节约了处理时间。

随着专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）技术的发展，路由查找速度已经不是阻碍网络发展的瓶颈。这使得MPLS在提高转发速度方面不再具备明显的优势。但是MPLS支持多层标签和转发平面面向连接的特性，使其在VPN（Virtual Private Network）、流量工程、QoS（Quality of Service）等方面得到广泛应用。

网络结构

MPLS网络的典型结构如图1-1所示。MPLS基于标签进行转发，图1-1中进行MPLS标签交换和报文转发的网络设备称为标签交换路由器LSR（Label Switching Router）；由LSR构成的网络区域称为MPLS域（MPLS Domain）。位于MPLS域边缘、连接其他网络的LSR称为边缘路由器LER（Label Edge Router），区域内部的LSR称为核心LSR（Core LSR）。

图1-1 MPLS网络结构

IP报文进入MPLS网络时，MPLS入口的LER分析IP报文的内容并且为这些IP报文添加合适的标签，所有MPLS网络中的LSR根据标签转发数据。当该IP报文离开MPLS网络时，标签由出口LER弹出。

IP报文在MPLS网络中经过的路径称为标签交换路径LSP（Label Switched Path）。LSP是一个单向路径，与数据流的方向一致。

如图1-1，LSP的入口LER称为入节点（Ingress）；位于LSP中间的LSR称为中间节点（Transit）；LSP的出口LER称为出节点（Egress）。一条LSP可以有0个、1个或多个中间节点，但有且只有一个入节点和一个出节点。

根据LSP的方向，MPLS报文由Ingress发往Egress，则Ingress是Transit的上游节点，Transit是Ingress的下游节点。同理，Transit是Egress上游节点，Egress是Transit的下游节点。

体系结构

MPLS的体系结构如图1-2所示，它由控制平面（Control Plane）和转发平面（Forwarding Plane）组成。

图1-2 MPLS体系结构

控制平面：负责产生和维护路由信息以及标签信息。

路由信息表RIB（Routing Information Base）：由IP路由协议（IP Routing Protocol）生成，用于选择路由。

标签分发协议LDP（Label Distribution Protocol）：负责标签的分配、标签转发信息表的建立、标签交换路径的建立、拆除等工作。

标签信息表LIB（Label Information Base）：由标签分发协议生成，用于管理标签信息。

转发平面：即数据平面（Data Plane），负责普通IP报文的转发以及带MPLS标签报文的转发。

转发信息表FIB（Forwarding Information Base）：从RIB提取必要的路由信息生成，负责普通IP报文的转发。

标签转发信息表LFIB（Label Forwarding Information Base）：简称标签转发表，由标签分发协议在LSR上建立LFIB，负责带MPLS标签报文的转发。

MPLS基本转发过程

基本概念

在MPLS基本转发过程中涉及的相关概念如下：

标签操作类型包括标签压入（Push）、标签交换（Swap）和标签弹出（Pop），它们是标签转发的基本动作。

Push：当IP报文进入MPLS域时，MPLS边界设备在报文二层首部和IP首部之间插入一个新标签；或者MPLS中间设备根据需要，在标签栈顶增加一个新的标签（即标签嵌套封装）。

Swap：当报文在MPLS域内转发时，根据标签转发表，用下一跳分配的标签，替换MPLS报文的栈顶标签。

Pop：当报文离开MPLS域时，将MPLS报文的标签剥掉。在最后一跳节点，标签已经没有使用价值。这种情况下，可以利用倒数第二跳弹出特性PHP（Penultimate Hop Popping），在倒数第二跳节点处将标签弹出，减少最后一跳的负担。最后一跳节点直接进行IP转发或者下一层标签转发。默认情况下，设备支持PHP特性，支持PHP的Egress节点分配给倒数第二跳节点的标签值为3。

基本转发过程

以支持PHP的LSP为例，说明MPLS基本转发过程。

图1-6 MPLS基本转发过程

如图1-6，MPLS标签已分发完成，建立了一条LSP，其目的地址为4.4.4.2/32。则MPLS基本转发过程如下：

Ingress节点收到目的地址为4.4.4.2的IP报文，压入标签Z并转发。

Transit节点收到该标签报文，进行标签交换，将标签Z换成标签Y。

倒数第二跳Transit节点收到带标签Y的报文。因为Egress分给它的标签值为3，所以进行PHP操作，弹出标签Y并转发报文。从倒数第二跳转发给Egress的报文以IP报文形式传输。

Egress节点收到该IP报文，将其转发给目的地4.4.4.2/32。

基本概念

在MPLS详细转发过程中涉及的相关概念如下：

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。该Tunnel ID的长度为32比特，只是本地有效。

NHLFE下一跳标签转发表项NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry）用于指导MPLS报文的转发。NHLFE包括：Tunnel ID、出接口、下一跳、出标签、标签操作类型等信息。FEC到一组NHLFE的映射称为FTN（FEC-to-NHLFE）。通过查看FIB表中Tunnel ID值不为0x0的表项，能够获得FTN的详细信息。FTN只在Ingress存在。

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（Incoming Label Map）。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。

详细转发过程

图1-7 MPLS详细转发过程

MPLS详细转发过程如图1-7所示。

当IP报文进入MPLS域时，首先查看FIB表，检查目的IP地址对应的Tunnel ID值是否为0x0。

如果Tunnel ID值为0x0，则进入正常的IP转发流程。

如果Tunnel ID值不为0x0，则进入MPLS转发流程。

在MPLS转发过程中，FIB、ILM和NHLFE表项是通过Tunnel ID关联的。

Ingress的处理：通过查询FIB表和NHLFE表指导报文的转发。

查看FIB表，根据目的IP地址找到对应的Tunnel ID。

根据FIB表的Tunnel ID找到对应的NHLFE表项，将FIB表项和NHLFE表项关联起来。

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，并根据QoS策略处理EXP，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：通过查询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EXP和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EXP和TTL，然后进行IP转发或下一层标签转发。

Egress的处理：通过查询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EXP和TTL。

如果标签中的栈底标识S=1，表明该标签是栈底标签，直接进行IP转发。

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。

流程图

MPLS对TTL的处理

MPLS对TTL的处理包括MPLS对TTL的处理模式和ICMP响应报文这两个方面。

MPLS对TTL的处理模式

MPLS标签中包含一个8比特的TTL字段，其含义与IP头中的TTL域相同。MPLS对TTL的处理除了用于防止产生路由环路外，也用于实现Traceroute功能。

RFC3443中定义了两种MPLS对TTL的处理模式：Uniform和Pipe。缺省情况下，MPLS对TTL的处理模式为Uniform。

Uniform模式IP报文经过MPLS网络时，在入节点，IP TTL减1映射到MPLS TTL字段，此后报文在MPLS网络中按照标准的TTL处理方式处理。在出节点将MPLS TTL减1后映射到IP TTL字段。如图1-8所示。

图1-8 Uniform模式下入方向TTL的处理

Pipe模式

在入节点，IP TTL值减1，MPLS TTL字段为固定值，此后报文在MPLS网络中按照标准的TTL处理方式处理。在出节点会将IP TTL字段的值减1。即IP分组经过MPLS网络时，无论经过多少跳，IP TTL只在入节点和出节点分别减1。如图1-9所示。

图1-9 Pipe模式下入方向TTL的处理

在MPLS VPN应用中，出于网络安全的考虑，需要隐藏MPLS骨干网络的结构，这种情况下，对于私网报文，Ingress上使用Pipe模式。

ICMP响应报文

在MPLS网络中，当LSR收到TTL为1的含有标签的MPLS报文时，LSR生成ICMP的TTL超时消息。

LSR将TTL超时消息回应给报文发送者的方式有两种：

如果LSR上存在到达报文发送者的路由，则可以通过IP路由，直接向发送者回应TTL超时消息。

如果LSR上不存在到达报文发送者的路由，则ICMP响应报文将按照LSP继续传送，到达LSP出节点后，由Egress节点将该消息返回给发送者。

通常情况下，收到的MPLS报文只带一层标签时，LSR可以采用第一种方式回应TTL超时消息；收到的MPLS报文包含多层标签时，LSR采用第二种方式回应TTL超时消息。

但是，在MPLS VPN中，ASBR（Autonomous System Boundary Router，自治系统边界路由器）和HoVPN组网应用中的SPE（Superstratum PE or Service Provider-end PE，上层PE或运营商侧PE），接收到的承载VPN报文的MPLS报文可能只有一层标签，此时，这些设备上并不存在到达报文发送者的路由，则采用第二种方法回应TTL超时消息。

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