MPLS（多协议卷标交换）

MPLS（多协议卷标交换）

 

一、传统IP路由转发的特点及缺点

1. 使用动态路由协议传递路由条目
2. 传统IP路由只能基于数据报中的目的IP转发数据报
3. 每台路由器都要去查找路由表然后逐跳转发

 

二、MPLS基本工作原理

MPLS：用标签转发，而不是进行IP路由表的查找

MPLS边界路由器：连接了MPLS域和一个纯IP网络

只有边界路由器才会进行路由表查找（针对纯IP包）

LSP：卷标转发路径

LSR：标签转发路由器（MPLS域中的路由器）

MPLS数据报转发过程的基础理论：

边界路由器为纯IP包查路由表，并给数据报压上一个标签（IP数据报前面加上一个标签5发送出去）。第二台的下游路由器不会再去查路由表，只看卷标（因为是卷标包），只需要做标签的替换5——3（标签3是下游路由器给它的，下游路由器只认识标签3）。第三台路由器弹出标签，变成纯IP包，并做路由表查找，最后转发给身后的IP网络。

三、MPLS的优势

1.转发速度——不是主要因素

2.VPN服务：

MPLS把IP的路由和转发给分离了：在入口的地方就可以决定数据报将要走的整条路径（传统的IP路由转发不行，因为每一跳都要去查找），它可以为不同入口的IP数据报压不同的标签出去——MPLS VPN

两个不同的VPN客户使用相同的私网地址段，MPLS VPN可以区分这两个不同客户的数据报走向。根据收到的接口不同，压不同的标签转发出去（传统IP只能匹配这一条路由条目，故只能按照一种方式做错误的转发）

 

 

传统IP路由转发：根据数据报要去往的目的IP地址，匹配中同一条路由条目，只能做一种转发方式

MPLS：根据标签转发，提供了另外一种转发方式

3.MPLS-TE（流量工程）

 

传统的IP转发，例如运行的是ospf，只会选择走cost值小（带宽大）的路径，当这条链路带宽超载时会发生丢包，但是流量仍然不会走下面

MPLS却可以在入口处强行指定路径以实现非等价负载均衡

传统IP网络并不是只能基于目的地址转发——使用PBR（策略路由）

但PBR不适合在互联网上大规模应用，因为每台路由器上都要去做控制，而不是在入口处控制。使用MPLS可以只在入口处就完成控制。

四、MPLS包头封装位置和包头格式

4.1 MPLS包头封装位置

MPLS包头放在二层的帧头和三层的IP头之间的位置，所以MPLS也叫做2.5层的协议

MPLS标签放在MPLS包头中

 

二层的帧头中的“类型字段”会指明上层是IP协议（0X0800）还是MPLS协议，路由器查看二层的帧头就知道应该使用哪张表来查表转发——FIB、LFIB

所以中间的MPLS路由器不会去看IP包头转发，只看MPLS包头转发

4.2 MPLS包头格式

 

 

1.标签：20位(100多万个)，为每一条路由分配一个标签，足够用了

2.EXP：做QOS用的，3位

QOS区分服务模型：分类、标记（着色）——字段（值）

三层的IP包中的字段：TOS（早期）——DSCP（后来）

二层：802.1q的trunk中的cos字段

端到端的QOS：

 

二层交换机的trunk（二层帧中的字段-COS5）复制到IP路由器（TOS5），进MPLS域时复制到路由器MPLS包头中（EXP5）

3.S：占比位，1位，多层标签嵌套（实际上是有多个MPLS的包头），标识我是不是最内层的标签

 

0：外层标签

1：内层标签

MPLS VPN：2层标签

CSC：3层标签

4.TTL（生存时间）： 8位（最大值为255，看从哪个操作系统发出来的初始值不一样），每经过一个路由器减1，防环。把IP包头里的TTL值复制到MPLS包头的TTL字段里

五、MPLS架构及实现细节

5.1 控制层面

如何生成转发层面所需要使用的表

传统IP路由是通过动态路由协议的学习最后生成路由表

1.各种动态路由协议

任何IGP、BGP协议——目的是传递路由

2.分发和传递标签的协议

（1）专门的卷标分发协议：LDP、TDP 

TDP：cisco的卷标交换技术，tag switching所使用的标签分发协议。它是LDP的前身

LDP：被IETF共有化后演变了成现在的MPLS所使用的标签分发协议

（2）其他可以传递卷标的协议：

1.MPBGP（多协议BGP）：把标签放在BGP路由后面一起传递

2.ipv4-BGP：不同的AS之间传递卷标，用LDP传递卷标不好

3.RSVP（资源预留协议）：出现在QOS的集成服务模型里的，用于数据网络，去请求保留带宽，然后可以沿着路径分卷标——用于MPLS-TE

QOS的两种模型：

1.区分服务模型：用的最多

对数据报在入口处进行分类（根据重要性），然后打标记（着色，在字段中设置一个值），继续传递，其他路由器只看标记根据QOS的队列机制让重要的数据报每次都是优先转发。

但是每台路由器都要去实施。

2.集成服务模型：类似于传统的电话网络，中间是二层的电话交换机——用于语音网络

打电话时交换机会发送信令去请求下一台交换机的带宽（需要的带宽），整条链路先预留带宽，保证语音的质量。预留不出来则通话不能建立，保证了服务质量。

但是是针对每一个流，也不能在互联网上大规模实施

3.通过无序分发标签，形成每台路由器的LIB表（标签信息库）：

LIB中只会存储LDP/TDP分的标签

路由条目    自己本地分配的标签(local)    所有别人给我的标签(remote)

5.1.1 LDP和TDP的联系

可以全局或接口下修改使用的卷标分发协议：默认是LDP，两端必须一致

int s0/0

mpls label protocal tdp

其实两者可以互相兼容——MPLS分发标签使用LDP或TDP都可以

5.1.2 mpls ip命令在接口上运行之后，LDP的工作过程

1.选举LDP router-id（同ospf，选举好后即是一个稳定状态）

2.使用LDP router-id的地址建立直连路由器之间的LDP邻居关系（要注意路由的可达性）

3.通过路由协议学习到路由条目后，每台路由器针对这条路由条目本地分配一个标签（local）

4.通过LDP协议无序分发卷标（LDP/TDP的卷标分发是无序的，分发给所有LDP/TDP邻居而不区分上下游），从而形成LIB表（local  remote）

5.1.3 LDP邻居的建立过程

1.LDP使用UDP源目埠号都为646发送hello包（并通过UDP协议维持LDP的邻居关系）

LDP的hello消息目的IP地址发往224.0.0.2

sh ip int s0/0  //查看mpls接口加组信息（224.0.0.2）

2.协商相关参数，如LDP router-id的大小

3.使用TCP 源埠随机，目的埠为646建立LDP邻居关系（LDP ID大的主动去发送TCP连接小的）

目的IP为对方的LDP ID

sh mpls ldp nei  //查看LDP邻居关系

access-list 100 permit udp any eq 646 host 224.0.0.2 eq 646

access-list 100 permit ospf any any  //建立ospf邻居，放行LDP ID的路由条目

access-list 100 permit tcp any host 1.1.1.1 eq 646  // LDP ID大者向小的一方发起TCP连接

access-list 100 deny  ip any any

TDP依靠TCP 711埠建立邻居关系，用UDP发送hello包（维持TDP的邻居关系）

5.1.4 相关命令

LDP ID：类似于OSPF的router ID，选举规则也一样；使用mpls ldp router-id interface force可改变LDP ID

在LDP邻居发现时，邻居之间的LDP ID必须IGP可达，否则在sh mpls ldp discovery的最后一行会出现no route，即邻居发现没有建立成功

 

全局下的MPLS命令：

mpls ldp命令(新命令)等同于tag-switching tdp(老命令)——因为LDP等同于TDP

控制层面小结：

1. 每台路由器通过一种动态路由协议学习到路由条目
2. 每台路由器先本地为这条路由条目分配一个标签
3. 无序分发标签，形成每台路由器的LIB表

5.2 数据层面

如何去查那张表

传统IP路由是拿目的地址去查路由表（FIB表）

1.FIB表（转发信息库，CEF表——相当于路由表）

FIB表是对路由表的复制，做了一些优化，解决了递归查找问题

为什么要使用FIB表：因为只有FIB表才能关联标签，路由表是无法关联标签的

必须打开CEF才会有FIB

边界路由器要查CEF表：三层的表，IP是三层的包

路由条目    出接口    下一跳路由器给的标签(out)

2.LFIB表（卷标转发信息库）

由LIB生成

中间的路由器只根据LFIB表做标签的替换：针对的是标签包

路由条目    出接口    本地分配的标签(in)    下一跳路由器给的标签(out) 

LFIB中out是untagged的情况：——弹出所有标签

如果下一跳没有给我标签（没有运行MPLS的纯IP网络，我只能给它转发一个纯IP包的情况），则out是untag

LFIB中out是pop的情况：——只弹出一层外层标签

每台路由器对于本地直连的路由条目本地分配的是一个“隐式空”的空标签（local值为3），倒数第二跳路由器收到这个分发的空标签，它的LFIB表中out为POP。然后转发纯IP包给末端路由器，末端路由器一般情况下只需要查IP路由表（FIB表）转发，所以末端路由器对于直连路由LFIB表中是没有这条路由条目的

数据层面小结：

是什么包就查什么表

5.3 MPLS架构小结

路由的传递是从下游往上游传

标签的分发是无序的，但只有关联下一跳给的标签才有意义

数据报的转发是从上游往下游走

5.4 数据报转发时的几种可能性

收到的是IP包，只查FIB：

1.压out的标签出去（MPLS边界路由器）

2.不压标签，正常的IP包出去（末端路由器的直连路由）

收到的是标签包：只查LFIB：

1.更换一个标签出去（中间的路由器）

2.弹出标签，变成纯IP包出去（倒数第二跳路由器）

六、基础实验

 

R3：ping 1.1.1.1

6.1 MPLS基本配置及验证命令

1.应首先保证MPLS域中的所有路由器CEF开启（默认开启）

2.运行一种路由协议，宣告物理及环回界面

因为LDP也会建立邻居关系（默认使用环回口建立邻居，因此必须要环回口路由可达）

sh mpls ldp discovery

3.指定卷标分配的范围——针对所有可以分卷标的协议的卷标分配范围

运行MPLS，同时就默认启动了LDP对每条路由条目本地分配一个标签(local)

LDP分配标签从16开始，本地有效。应该强制每台路由器对路由分配不同的标签范围（在启用MPLS之前就做，因为启用了MPLS就启用了LDP，已经开始分配标签了）

全局配置模式下：

mpls label range 16 100

4.MPLS域中的所有接口下启用MPLS——默认就启用了LDP并建立LDP的邻居关系

int s0/0

mpls ip

sh mpls int  //查看所有启用了LDP的接口

sh mpls ldp nei  //LDP的邻居：LDP的TCP连接发起方——根据源埠号（随机）和目的埠号（646）判断

R3：trace 1.1.1.1  //压标签达到目的地址

查看控制层面的表(LIB表)：

sh mpls ldp bindings  //LIB表：路由条目、卷标local、卷标remote

对于直连路由，本地分空标签

对于非直连路由，本地正常分标签

查看数据层面的表：

show ip cef detail  //FIB表：路由条目、出接口、下游路由器给我的标签(out)

show mpls forwarding-table  //LFIB表：路由条目、出接口、本地分配的标签(in)、下游路由器给我的标签(out)

6.2 扩展内容

1.关闭CEF：no ip cef

 

（1）如果边界路由器关闭CEF：

FIB空了——必须打开CEF才会有FIB

 

（2）如果中间路由器关闭CEF：

LIB中本地不分标签了

FIB表空了

LFIB表也空了

 

此时则完全按照路由表查找转发，脱离了LSP，此环境没有任何影响，可以通，但是MPLS-VPN网络中就不通了

路由器要基于FIB表本地分配标签和形成LFIB表，所以必须在MPLS域中所有路由器上都打开CEF：ip cef

2.如果将R1环回口改为24位：

需要在R1上重启mpls ip命令

R1通过ospf通告给R2的仍是32位路由

R2的LFIB中out全变成untag了，对于MPLS VPN就不正常了

问题原因：

1.R1上本地会为24位的这条直连路由分空标签，也会把这个空标签传递给R2，但R2上并没有24位的这条路由，因此这条路由不会显示进LFIB表中

2.R2收到的路由是32位的，但是却收不到关于这条32位路由下一跳给它的标签，因为R1上是直连的是24位的路由

3.R2上只有32位的路由加入到LFIB表中，因为没有收到标签，所以out是untag

解决方法：

使分标签的路由和传递的路由屏蔽一致

1.将所有路由器环回口屏蔽都设置为32位——推荐

2.环回口网络类型改为点到点，这样宣告给邻居的也是24位掩码

3.如果MPLS域中存在路由汇总——eigrp

汇总路由在R2上产生：1.1.1.1/32-1.1.0.0/16，R2会为1.1.0.0/16这条路由本地分一个空标签，R3压着空标签转发到R2（R3到R2的包是纯IP包）

而R2本身有明细路由，R1本地分配的空标签分发过来，R2又压着空标签转发到R1（等于还是一个纯IP包转发给R1）。因为R2上同时有汇总路由和明细路由，所以这种情况下不会有问题——eigrp、ospf

如果R1和R2之间还有一台路由器，则会重新压一次标签过去

关键是看底层使用的是哪种动态路由协议，做汇总时本地会不会自动生成那条汇总路由

eigrp和ospf手动汇总后本地都会自动产生一条指向空接口的汇总路由，所以MPLS-VPN没有问题

rip本地不会自动产生汇总路由，所以MPLS-VPN有问题

另：ospf的汇总只能在ABR或ASBR上做

eigrip汇总：——pop

R2：连R3的界面

int s0/1

ip sum eigrp 100 1.1.0.0 255.255.0.0

rip汇总：接口下（同eigrp，DV型）——untag，MPLS-VPN有问题

int s0/1

ip sum rip 1.1.0.0 255.255.0.0

所以MPLS域中的底层路由协议最好不要使用rip

七、帧模式（IP）和信元模式（ATM）的区别

7.1 标签的发配

帧模式：只要自己有路由就本地分配标签

信元模式：下游给我标签以后，我本地再开始自己分配标签

7.2 标签的分发

帧模式：分发是主动、无序的，不管对方要不要

信元模式：按需分发（上游向下游请求）

7.3 标签的保留

帧模式：LDP邻居传递给我的标签一直保存在我的LIB中，不管是不是下一跳或下一跳是否已经down掉（对方起来后，不需要重新分发标签进行三层的收敛，速度快）

7.4 LFIB表中是否关联数据报的入向接口

 

 

帧模式：不关联数据报的入向界面

优点：表小，卷标交换速度快

缺点：不安全

信元模式：关联数据报的入向界面

八、MPLS的现实好处（BGP传递路由）

8.1 MPLS中的trace相关命令

no mpls ip propagate-ttl  //TTL值在MPLS入口处变成255，并且不递减

此时traceroute不生效

8.2 通过BGP传递路由

 

R1和R3通过IBGP传一条32位的环回口路由

纯IP网络中，不能通（中间路由器没有运行IBGP，没有这条路由），但MPLS中可以通

R1：sh mpls ldp bindings

本地不会为33.33.33.33这条路由分标签（学到的是B表项），MPLS只会为IGP的路由分标签，不会为BGP路由分标签。但转发数据报时会压这条BGP路由的下一跳路由的标签（通过3.3.3.3学来的）——sh ip cef detail

sh ip bgp  //去往33.33.33.33下一跳是3.3.3.3

R2没有运行BGP，也没有11和33的路由

好处：运营商中间的所有P路由器都不用承载BGP的路由（客户的路由），只需要维护一个标签即可实现客户路由的端到端通信

8.3 扩展内容

R1重启mpls ip后，LFIB中的out都是untag（没有收到邻居的标签），LDP邻居建立不起来了

因为LDP也有RID，通过RID建立邻居，并且RID选举好后是非抢占的，除非重启mpls ip才重新选举（选举RID的方式同ospf）

R1上重新选举RID为11.11.11.11，因为R2上没有11.11.11.11的路由，所以R1的11.11.11.11和R2的2.2.2.2不能建立LDP邻居

解决方法：

1.全局配置模式下：强制指定LDP的RID为1.1

mpls ldp router-id lo0  //只能跟界面，还是要等到mpls下一次重启

mpls ldp router-id lo0 force  //让其立刻生效

2.RID不变，让LDP通过直连接口建立邻居，而不是使用RID建立邻居（如果不能修改LDP的RID的话，使用这种方法比较好）

int s0/0  接口下的命令

mpls ldp discovery transport-add interface  //本路由器通过本地这个物理接口地址和对方建立LDP邻居

九、控制标签的分发

控制路由的传递——发布列表

控制数据报的传递——ACL

控制标签的分发： 

让R2针对环回口路由2.2.2.2本地分配的标签只传递给R1，而不给R3（R3上看到2.2.2.2变成untag）

全局配置模式下：

老命令：tag-switching advertise-tag for ACL1(匹配路由) to ACL2(允许向谁发送)

新命令：mpls ldp advertise-labels for ACL1(匹配路由) to ACL2(允许向谁发送)

mpls ldp advertise-labels for 1 to 2

ac 1 per host 2.2.2.2  //匹配32位的路由

ac 2 per host 1.1.1.1  //只给1.1.1.1的LDP邻居分发标签（只能匹配对方LDP的RID，匹配对方的直连界面IP是不行的）

结果：R1的LFIB中out是POP，R3的LFIB中out是untag

no mpls ldp advertise-labels

mpls ldp advertise-labels for 11