MPLS基础

2020-07-02 00:00:00 路由 协议 网络 报文 路由器

MPLS是什么？


从发展历史来看，MPLS并非是一个非常新的技术，早可以追溯在1997年，相应的IETF工作组就成立。在2001年，相应的RFC3031就发布了。从字面意思来看，MPLS全称是Multi-Protocol Label Switching，直译过来就是多协议标签交换技术。维基百科是这么定义MPLS的：一种在通讯网络上的高性能数据传输技术。信息太少，没法理解，不要着急，往下看。

MPLS解决了什么问题？


传统的路由网络里面，当一个（无状态的）网络层协议数据包（例如IP协议报文）在路由器之间游荡时，每个路由器都是独立的对这个数据包做出路由决策。路由决策就是路由器决定数据包如何路由转发的过程。路由决策在后面会多次提到，在这里指，每个路由器都需要分析包头，根据网络协议层的数据进行运算，再基于这些分析和运算，独立的为数据包选择下一跳（next hop），后通过next hop将数据包发送出去。以IP协议报文为例，路由决策是基于目的IP地址，路由器根据目的IP地址，选择路由条目，再做转发。路由决策可以认为是由两部分组成：
  • 分类，将特定的数据包归属为一个等价转发类（Forwarding Equivalence Classes，FECs）
  • 查找，查找FEC对应的next hop

对于同一个路由器来说，同一个FEC必然对应同一个next hop，那么属于同一个FEC的所有网络数据包必然会走同一条路径转发出去。（注，在多链路负载均衡的情况下，一个FEC也可能对应一组next hop，但是逻辑上还是能看成是一个next hop，因为殊途同归！）

具体到IP协议报文，当多个IP协议报文的目的地址都对应路由器的一条路由，且这条路由是所有路由里面长匹配（longest match）的路由，那么对于这个路由器来说，就会认为这两个IP协议报文属于一个FEC。因此，这两个数据包就会走同一条路径出这个路由器。这就是我们常见到的路由转发。


需要注意的是，这里的FEC是针对路由器的，而不是全局的。举个例子，目的地址为192.168.31.1和192.168.31.100的两个IP协议报文，个路由器具有192.168.31.0/24这条路由，那么在个路由器它们属于同一个FEC，都会被转发到第二个路由器。第二个路由器具有192.168.31.0/26和192.168.31.0/24两条路由，并且两条路由的next hop不一样。因为192.168.31.0/26能更的匹配192.168.31.1，所以192.168.31.1匹配条路由，而192.168.31.100匹配第二条路由，终，这两个IP协议报文在第二个路由器被认为是不同的FEC，从不同的路径出去。这就是每个路由器都需要独立的做路由决策的原因之一。
路由器的工作原理如下图所示：


由于每个路由器都需要独立的路由决策（虽然会有这样那样的缓存机制加速决策），而路由器的收发队列一旦满了，就会丢包。所以在一个高流量，高容量的网络里面，无疑对每个路由器的要求都很高（否则就会丢包了！）

针对这个问题，MPLS提出了类似的，但是更简单的另外一种路由决策的方法。

传统的路由决策，路由器需要对网络数据包进行解包，再根据目的IP地址计算归属的FEC。而MPLS提出，当网络数据包进入MPLS网络时，对网络数据包进行解包，计算归属的FEC，生成标签（Label）。当网络数据包在MPLS网络中传输时，路由决策都是基于Label，路由器不再需要对网络数据包进行解包。并且Label是个整数，以整数作为key，可以达到O(1)的查找时间。大大减少了路由决策的时间。这里的Label就是MPLS里面的L。需要注意的是Label在MPLS网络里面，是作为网络数据包的一部分，随着网络数据包传输的。

也就是说，在MPLS网络里面，数据被封装在了盒子里，上面贴了标签，每个经手的人只需要读标签就知道盒子该送到哪。而传统的路由网络里面，每个经手的人都需要打开盒子，看看里面的内容，再决定送往哪。

这里提到了MPLS网络，这是一个由相连的，支持MPLS的设备组成的网络。打上MPLS标签的数据可以在这个网络里面传输。MPLS的核心就是，一旦进入了MPLS网络，那么网络数据包的内容就不再重要，路由决策（包括FEC归属的计算，next hop的查找）都是基于Label来进行的。


从目前看，MPLS带来的好处是，在MPLS网络里面，除了边界路由器，其他路由器可以由一些支持Label查找替换的低性能的交换机，或者路由器来完成。这一方面降低了组网的成本，另一方面提升了同样性能设备的转发效率。不过，随着路由器的发展，这方面的优势弱化了，而且，类似的问题，也不一定需要MPLS来解决。MPLS的价值更多的在于其他方面。不过初步理解MPLS，就先说这些。到目前为止，MPLS里面的M，P，L都介绍过，S其实也隐含的介绍过，S是Switching的意思，即基于Label做路由决策的意思，或者说标签交换里面的交换。相信大家也明白了为什么说MPLS是一种高效的数据传输的技术。

MPLS术语


相较于传统的路由交换技术，MPLS是一个全新的世界，因此有必要对MPLS中的一些术语和角色做一些解释。同时，为了表述简单，后面都用IP协议报文代替网络数据包来进行描述。
  • FEC（Forwarding Equivalence Class）：交换等价类，前面描述过，同样的转发路径的网络数据包的集合。
  • MPLS网络：由支持MPLS的，相连的设备的构成。
  • LSH（Label Switching hop）：IP协议报文从一个MPLS设备发送到另一个MPLS设备，区别于传统的路由交换，LSH是基于Label的转发。
  • NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry）：LSR中用来转发条目，相当于路由表之于路由器。包含了：
    • 下一跳：nexthop
    • 对数据包的当前label需要做的操作，包括了：
      • 替换（SWAP）

      • 删除（POP）
      • 添加（PUSH）
  • LER（Label Edge Router）：有的地方也叫做 MPLS edge node。顾名思义，MPLS网络的边缘设备。
    • MPLS ingress node：进入MPLS网络的节点，也就是MPLS网络的入口路由器。该设备计算出IP协议报文归属的FEC，并把相应的Label放入IP协议报文。
    • MPLS egress node：出MPLS网络的节点，也就是MPLS的出口路由器。IP协议报文在这里回到传统的路由系统中。
  • LSR（Label Switching Router）：支持MPLS转发的路由器。如果一个LSR有一个邻接的节点在MPLS网络之外，那么这个LSR就是LER。注意，这里的MPLS网络之外可以是：1.传统路由网络，2.另一个MPLS网络。
  • LSP（Label Switching Path）：特定的FEC中的IP协议报文所经过的LSR的集合。LSP通常也被称为MPLS tunnel。

MPLS协议格式


前面说了，MPLS把Label作为IP协议报文的一部分，存储在IP协议报文中。通常情况下，MPLS操作在OSI的2层（数据链路层）和3层（网络层）之间，因此也常常被认为是2.5层协议。这也就是MPLS能支持Multiprotocol的原因。Label不依赖于任何协议，直接定义在2-3层之间。当然，老司机们会说MPLS也可以在2层，例如MPLS-ATM和MPLS-FRMRLY。这种情况现在用的比较少，这里就不考虑。
MPLS的Label格式定义如下：
  • Label：前面提到过多次的Label，20bit的整数，也就是说Labe的容量是百万级的。虽然不是无限的，但是也很多了。
  • TC：之前的EXP，改名成TC，由RFC5462定义。
  • S：bottom of stack。什么是stack，一种常见的数据结构类型，特点是后进先出。S为1表明这已经是栈底了，即当前Label是IP协议报文后一个MPLS标签。再执行一个POP操作，就能变成正常的IP协议报文了。
  • TTL：TTL在IP协议里面的作用主要是防止环路和用于traceroute等工具。在之前的文章Traceroute里详细介绍过。MPLS里面的TTL作用是一样的。当数据包进入MPLS网络，网络层中的TTL会被拷贝至MPLS的TTL，每一次LSH，TTL减1，数据包出MPLS网络，MPLS中的TTL会拷贝至网络层。
刚刚提到了stack，MPLS中的Label不是指一个Label，而是由多个Label构成的Label Stack。

为什么要Label Stack？
从前面的描述看，MPLS似乎用一个Label就可以满足要求了。多Label的一个应用场景就是嵌套的LSP。直接看图吧：

对于IP1的报文来说，上层LSP就是由A->B组成。但是A并非直接转发给B的，而是通过另一个子LSP C1->C2->C3转发给的B。这么做，首先是因为A和B没有直接相连，没有办法直接转发。另一方面，因为IP1和IP2有一部分重合的路径，通过定义子LSP可以复用这部分路径。对于IP1和IP2来说，C1，C2，C3只需要存储一套NHLFE即可。

MPLS网络拓扑

看一个简单的MPLS网络：


这个图里面的术语跟之前描述的不一样，不过其实这个图里的术语更常见。可以简单的翻译一下。
CE：前面没有介绍过，其实就是传统路由网络中与LER连接的路由器，可以理解成客户网络的边缘路由器。
PE：服务提供商的边缘路由器，对应LER。
P：服务提供商的路由器，对应LSR。
为什么会有这些术语上的不同，MPLS的提出本身是中立的，但是随着发展，现在应用多的是电信网络，所以才有了customer provider这些概念，其实都是对应电信运营商网络中的设备。上图中间部分就是个MPLS网络，前面介绍过，MPLS网络中的IP报文都是带有MPLS标签的。下面来过一下工作过程：
  1. 在所有的网络流量之前，PE路由器需要通过MPLS网络与远端PE路由器建立LSP。
  2. 客户网络从CE发来的非MPLS 报文，发送到了ingress PE路由器，也就是MPLS ingress edge node。
  3. ingress PE 路由器通过运算得出IP协议报文归属于哪个FEC，并把相应的Label加到了IP协议报文。
  4. IP协议报文沿着LSP传输，每个P路由器都根据自身的NHLFE，替换Label，再把报文传给下一跳。
  5. 在egress PE路由器，Label被从IP协议报文中删除，一个传统的IP协议报文又产生了。
  6. IP协议报文被发送到了对端的CE路由器，终进入了另一个客户网络。
到此为止，MPLS的data plane描述完了。MPLS是个很大话题，如果还有下次的话，应该会说说LSP的建立过程，也就是LDP（Label Distribution Protocol）。

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