第九章 多协议标记交换技术 MPLS

Resource

IETF Multiprotocol Label Switching (mpls) Working Group http://www.ietf.org/html.charters/mpls-charter.html

E. Rosen, A. Viswanathan, R.Callon, Multiprotocol Label Switching Architecture, RFC 3031, January 2001

L. Andersson, P. Doolan, et al., LDP Specification, RFC 3036, January 2001

B. Jamoussi, L. Andersson, et al., Constraint-Based LSP Setup using LDP, RFC 3212, January 2002

内容

传统 IP 转发MPLS 概述MPLS 体系结构标记分发MPLS 与虚电路交换

内容

传统 IP 转发MPLS 概述MPLS 体系结构标记分发MPLS 与虚电路交换

IP 转发概述

通过路由协议散发路由信息基于目的地址的转发在每跳节点上执行路由查找算法

前缀最长匹配

IP 转发中的性能问题

在每跳节点上执行基于目的地址的路由查找算法( 最长前缀匹配 )

每个路由器可能需要所有 Internet 上的路由信息 ( 超过 100,000 条路由 ).

Update: 10.0.0.0/8

Update: 10.0.0.0/8 Update: 10.0.0.0/8

Update: 10.0.0.0/8

10.1.1.1

10.1.1.110.1.1.1

10.1.1.1

10.1.1.110.1.1.110.1.1.110.1.1.1

Routing lookup

Routing lookup

Routing lookup

IP 转发中的流量工程 (Traffic Engineering)问题

站点 A 和站点 B 之间大部分的流量仅使用 primary link基于目的地址的路由算法不能提供在不同路径之间的任何

负载均衡 (load balancing) 机制基于策略的路由算法能够使用其它的参数来转发分组，但

是存在着可扩展性问题

Primary 10Gbps link

Primary 10Gbps link

Large Site A Large Site B

Small Site C

Backup2Gbps link

Backup2Gbps link

内容

传统 IP 转发MPLS 概述MPLS 体系结构标记分发MPLS 与虚电路交换

MPLS 基本原理MPLS 是一种基于标记 (Label) 的分组转发机制

标记长度短 (20 比特 ) 且固定标记不仅与 IP 目的网络对应 ( 与传统 IP 转发相

同 ) ，还可与其它的参数，例如 QoS 或者源地址等

MPLS 支持转发除 IP 之外的其它协议

MPLS 概念

FEC ： Forward Equivalence Class ，转发等价类

IPa 5 IPb 5 IPc 15

LER: Label Edge Router ，标记边缘路由器

LER: Label Edge Router ，标记边缘路由器

LSR: Label Switching Router ，标记交换路由器

15

3

5

输入端口 输入标记 输出端口 输出标记1 5 2 3

3 15 2 23

LFIB ： Label Forwarding Information Base标记转发信息表

LSP: Label Switched Path,标记交换路径

MPLS 交换过程

只有边缘标记交换路由器 (LER) 执行路由查找，给分组分配标记

其它标记交换路由器 (LSR) 仅基于标记来交换分组

L=5L=3

10.1.1.110.1.1.1

Routing lookup and

label assignment10.1.0.0/16 L=5

Label swappingL=5 L=3

Label removal and

routing lookupL=3

入口 LER

LSR

出口 LER

10.1.0.0/16

MPLS 交换操作： PUSH

L=5

10.1.1.1

输入端口 目的网络 输出端口 输出标记1 10.1.0.0/16 2 5

3 10.2.0.0/16 2 15

入口 LER

LSR

出口 LER

10.1.0.0/16

MPLS 交换操作： SWAP

L=5入口 LER

LSR

出口 LER

10.1.0.0/16

输入端口 输入标记 输出端口 输出标记1 5 2 3

3 15 2 23

L=3

MPLS 交换操作： POP

入口 LER

LSR

出口 LER

10.1.0.0/16

输入端口 输入标记 输出端口 输出标记2 3 1 0(POP)

3 23 4 12

L=3

10.1.1.1

MPLS 中的流量工程

基于其它参数 (QoS 、源地址等 ) 将分组分为不同的 FEC ，并且分配不同的标记，从而选择不同的 LSP

实现不同路径上的负载均衡

Primary 10Gbps link

Primary 10Gbps link

Large Site A Large Site B

Small Site C

Backup2Gbps link

Backup2Gbps link

5

15

3

MPLS 封装

包含在已有的链路层头标中

定义新的 MPLS 头标

LabelLabel

ATM 信元头标 HECHEC DATADATACLPCLPTYPETYPEVCIVCIGFCGFC VPIVPI

Label HeaderPPP HeaderPPP Header Layer 3 HeaderLayer 3 HeaderPPP 头标(Packet over SONET/SDH)

Label HeaderMAC HeaderMAC Header Layer 3 HeaderLayer 3 HeaderLAN MAC Label Header

MPLS 头标 (SHIM 头标 )

MPLS 头标长度为 32 比特20-bit label field3-bit experimental field1-bit bottom-of-stack indicator8-bit time-to-live (TTL) field

LABEL EXP S TTL

0 19 22 23 3120 24

MPLS 标记栈 (Label Stack)

2 层头标中的协议标示符 (PID: Protocol IDentifier) 指示在 IP 头标或者其它第三层头标位于 MPLS标记之后

Bottom-of-stack bit 指示下一头标是标记还是第三层头标

LSR 仅处理最顶层的标记

FrameHeader

Label 1 IP Header PayloadLabel 2 Label 3

S=0 S=0 S=1

PID=MPLS-IP

内容

传统 IP 转发MPLS 概述MPLS 体系结构标记分发MPLS 与虚电路交换

MPLS 体系结构

OSPF ： Open Shortest Path First ，开放最短路径优先协议LDP ： Label Distribution Protocol ，标记分发协议路由器的功能分为两个主要部分：控制面 (control plane) 和数据面

(data plane)

Data PlaneData Plane

Control PlaneControl Plane

OSPF: 10.1.0.0/16OSPF: 10.1.0.0/16

LDP: 10.1.0.0/16Label 17

LDP: 10.1.0.0/16Label 17

OSPF

LDP

LFIB

LDP: 10.1.0.0/16Label 4

LDP: 10.1.0.0/16Label 4

OSPF: 10.1.0.0/16OSPF: 10.1.0.0/16

417Labeled packet

Label 4Labeled packet

Label 4Labeled packet

Label 17Labeled packet

Label 17

@CISCO Systems

MPLS 主要有两个组件 :控制面—交换第三层路由信息和标记数据面—基于标记转发分组

控制面通过路由协议，例如 OSPF, EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol ), IS-IS (Intermediate System-to-Intermediate System), 和 BGP 等来交换路由信息，通过 LDP 、 RSVP 、 BGP 等来交换标记

数据面实现一个简单的转发引擎控制面维护标记转发信息表 (LFIB).

说明

LSR ：转发标记分组，执行标记交换 (Label Swapping)LER ：标记 IP 分组，并且将其转发到 MPLS 域，或者去

除分组中的标记，将其转发到 MPLS 域外

MPLS Domain

LER LSR

10.1.1.1 L=3 L=5

L=43L=3120.1.1.1

10.1.1.1

20.1.1.1

标记交换路由器 LSR

ATM LSR ：仅能转发信元ATM LER ：将分组分解成信元，并且将其转发到 MPLS A

TM 域 , 或者将信元组装成分组并且将其转发到 MPLS ATM 域外

MPLS Domain

ATMLER

ATMLSR

10.1.1.1 L=1/3

L=1/620.1.1.1

10.1.1.1

20.1.1.1

L=1/3 L=1/3 L=1/5 L=1/5 L=1/5

L=1/6 L=1/6 L=1/9 L=1/9 L=1/9

ATM 标记交换路由器 LSR

LSR ：所有类型的 LSR 都执行：交换路由信息交换标记转发分组 (LSR 和 LER) 或者信元 (ATM LSR 和 ATM

LER)

前面两点是控制面功能，最后一点是数据面功能

LSR 体系结构

LSR 结构

LSR 主要转发标记分组或者信元 (ATM LSR).

LSRLSR

Control Plane

Data Plane

Routing Protocol

Label Distribution Protocol

Label Forwarding Table

IP Routing Table

Exchange ofrouting information

Exchange oflabels

Incoming labeled packets

Outgoing labeled packets

LER 结构

Edge LSREdge LSR

Control Plane

Data Plane

Routing Protocol

Label Distribution Protocol

Label Forwarding Table

IP Routing Table

Exchange ofrouting information

Exchange oflabels

Incoming labeled packets

Outgoing labeled packets

IP Forwarding Table

Incoming IP packets

Outgoing IP packets

MPLS 操作 – Re-Cap1a. 路由协议 ( 例如 OSPF, IS-IS) 建立到目标网络的路由

1b. 标记分发协议 (LDP: Label Distribution Protocol) 建立到目标网络的标记映射

2. 入口 LER 接收分组 , 执行 L3 增值服务 , 并且标记分组 3. LSR 使用标记交换转

发分组

4. 出口 LER 删除相应的标记后发送分组

内容

传统 IP 转发MPLS 概述MPLS 体系结构标记分发MPLS 与虚电路交换

标记分发

标记具有局部意义标记分发在相邻节点之间进行，一般是由

下游 LSR 给上游 LSR 分配标记和 FEC 的绑定关系

分组转发方向

上游 LSR 下游 LSR

Label<->FEC

标记分发协议

基于已有协议扩展标记分发功能 RSVP ： RSVP-TE(Traffic Engineering) BGP ： MPLS-BGP

定义新的标记分发协议 LDP ： Label Distribution Protocol CR-LDP ： Constrained-based Routed LDP

扩展 LDP 满足流量工程需求，支持建立具有约束 ( 显示路由约束、 QoS 约束 ) 的标记交换路径 (LSP)

标记分发方法

Unsolicited Downstream (MPLS-BGP 、 LDP)

Downstream-on-Demand (RSVP-TE)

下游节点向上游节点主动公告标记

分组转发方向

上游节点向下游节点请求标记

LSR1 LSR2

Label<->FEC

分组转发方向

LSR1 LSR2

Label<->FEC

FEC<->?

标记分发协议 LDP ：报文

发现消息 (Discovery Message) 通告和维护网络中某个 LSR 的存在

会话消息 (Session Message) 建立、维护和中止两个相邻 LSR 交

换标记 /FEC 绑定信息的会话公告消息 (Advertisement Messa

ge) 建立、修改和删除标记 /FEC 绑定

通知消息 (Notification Message) 提供错误信息等

UDP

TCP

标记分发协议 LDP ：过程

目的网络 输出端口

10.1.0.0/16 2

10.2.0.0/16 3

输入端口

输入标记

输出端口

输出标记

1 - 2 15

3 - 2 12

标记 15 ，目的网络 10.1.0.0/16

目的网络 输出端口

10.1.0.0/16 2

10.2.0.0/16 2

10.1.0.0/16

10.2.0.0/16输入端口

输入标记

输出端口

输出标记

1 15 2 6

1 12 3 8

标记只需在节点范围内唯一

标记 6 ，目的网络 10.1.0.0/16

路由表

标记转发信息表

1

23

2

31

公告消息公告消息

RSVP-TE

PATH 消息中包含了标记请求RESV 消息中包含了下游节点给上游节点

分配的标记

LER1 LER1

PATH 消息（ LABEL-REQUEST ）

RESV 消息（ LABEL ）

MPLS 中的循环检测

MPLS 头标中的 TTL 域的功能与 IP 头标中的 TTL 相同，用于防止分组在网络中出现循环

在入口 LER ，通常将分组的 TTL 从 IP 头标拷贝到标记头标中，每经过一跳 LSR 标记头标中的 TTL 减一

对于 MPLS 中不能对 TTL 值减一的 LSP 段，根据网络拓扑结构推算出分组将要经过的节点数，然后从 TTL 中减去

当 TTL 减为 0时，分组将被丢弃

MPLS Domain

TTL 操作

入口 LER: TTL 从 IP 头标拷贝到标记头标出口 LER: TTL 从标记头标拷贝到 IP 头标

IP TTLLabelTTL

5 44

TTL is decreased and copied into label header.

43

Only the TTL in the top-of-stack entry is modified.

2

The TTL is decreased and copied back into the TTL field of the IP header.

1

LERLER

MPLS Domain

循环检测

TTL 为 0时标记分组将被丢弃

IP TTLLabelTTL

43

Routing loop

5 44

42

41

40

LER LER

内容

传统 IP 转发MPLS 概述MPLS 体系结构标记分发MPLS 与虚电路交换

比较

MPLS 虚电路交换

基于标记的交换，标记具有局部意义 基于 VCI 的交换， VCI 具有局部意义

通过标记分发协议来创建标记转发信息表，本质上是一种无连接的分组交换机制

通过专门的连接建立过程来创建转发分组所需的 VC 表，本质上是一种面向连接的分组交换机制

支持多个目的端相同的分组流的聚合 (label merging) ，使得它们共享一个标记，分组在出口 LER 去除标记后通过网络层目的地址继续向前转发

由于在目的端通过 VCI 来标识分组，无法将多条具有不同端点的独立路径聚合到同一个 VCI 上

MPLS 头标中可能存在多个标记，采用标记栈的方式组织

分组头标中只有一个 VCI