MPLS技术的基础知识

MPLS(多协议标签交换) 顾名思义，它不考虑协议(多协议)，使用标签(标签交换)在网络中移动数据包。多年来，MPLS 一直是网络运营商确保实时应用程序可靠连接的首选技术。

MPLS 通过将标签应用于数据包的报头来封装传入的数据包。MPLS 域中的每个路由器都会查看 MPLS 标签以了解如何处理每个数据包，但其不查看或关心数据包中的内容，它只关心标签。当数据包离开 MPLS 域时，标签将被移除，由标准 IP 路由接管。

可以看出，MPLS技术的核心就是标签交换。本文我们将从标签入手，逐步了解什么是MPLS。

MPLS 为什么要使用标签？

MPLS 为什么要添加标签？什么是标签？参考MPLS-LDP标签分发控制模式、通告模式及保留模式。

我们先看看VLAN 标签是什么样，大概就知道什么是 MPLS 标签了。标签本身基本上只是数字，如下图所示，第 4 行写着“Label：299776”。

在此数据包捕获中，标签被插入到“第 2 层”以太网报头和“第 3 层”IP 报头之间。这就是为什么有人说 MPLS 工作在“第2层半”。

这些数字，也就是这些标签，只对接收数据包的路由器有意义。本质上，标签就像一条指令，这条指令通常做两件事：

它告诉接收路由器如何转发数据包

或者，它告诉接收路由器该数据包是特定 VPN 的一部分

当一个标签用于在特定方向转发数据包时，我们称之为传输标签。当一个标签用于告诉路由器该数据包属于一个特定的 VPN 时，它被称为服务标签，有时也称为VPN 标签。MPLS VPN 让许多客户都可以使用相同的私有 IP 范围，因为接收路由器不会查看目标 IP 地址。相反，VPN 标签会告诉路由器数据包属于哪个客户。

路由器如何学习这些标签？

IP 是一种寻址方案，需要其他协议在各处实际通告 IP。我们可以以类似的方式考虑 MPLS：MPLS 是一种标签方案，需要其他协议在各处实际通告这些标签。

先说说如何通告MPLS传输标签。有四种常见的方法，这四种协议以完全不同的方式工作，并且有不同的用例。

LDP(Label Distribution Protocol)代表标签分发协议。这是一个非常基本的协议，并且易于配置。流量将始终遵循 OSPF/IS-IS 指定的最佳路径。在 MPLS 网络中，两个标签交换路由器（LSR）必须用在它们之间或通过它们转发流量的标签上达成一致。

RSVP是资源预留协议。RSVP 相比LDP 需要手动配置，但优势在于它提供了大量的流量工程功能，能够按照路由协议的要求以不同的方式移动流量，例如绕过带宽问题进行路由，或明确避免网络中的某些链路。

分段路由是一种在 OSPF 或 IS-IS 内部发布标签的方法，这意味着不需要运行额外的协议来通告标签。它可以实时告诉路由器使用哪个标签到达哪个目的地。通过将决策置于中央控制器中，可以获得真正的网络全局视图，甚至在 OSPF 区域或 IS-IS 级别，以及不同的自治系统之间。

BGP-Labelled Unicast是一个特殊的 BGP 地址族，往往只用于一些非常特地的、更高级的场景。

MPLS VPN 标签几乎都是在 BGP 中通告的。毕竟，如果不能在两个路由器之间传输数据包，就不能在它们之间运行 VPN。

路由器如何处理这些标签？

两个路由器之间的对话可能是这样的，路由器 B 对路由器 A 说“如果你想让我将数据包转发给路由器Z，包裹寄给我的时候贴上标签123456”。然后路由器 B 会对自己编程，如果数据包带有标签 123456，则该数据包会始终从特定接口发送出去。

路由器 B 并不知道这个传出接口是不是通往路由器 Z 的“最佳”路径。当路由器 B 将此数据包发送到路由器 C 时，路由器 C 也将根据标签知道如何处理该数据包，路由器 D 和路由器 E 等也会如此，一直到终点目的地。只要从一端到另一端有一个标签交换路径，沿途的路由器就能够成功地将数据包从 A 传输到 Z 。

路由器 B 甚至可能在发送标签时将标签更改为其他内容。在 LDP 和 RSVP 中，标签通常只对路由器本身有意义，沿途的每个路由器都可以自己决定它希望前一跳使用什么标签。当标签沿途发生变化时，我们称之为“交换”标签。例如，路由器 A 将标签为 123456 的数据包发送到路由器 B ，路由器 B 在将其发送到路由器 C 之前可以将其“交换”为标签 345678。

（相比之下，Segment Routing 中的某些标签是全局的，因此它不是MPLS 的通用规则。参考MPLS Segment Routing）

上面的例子要理解的关键是，当路由器 B 收到数据包并将其转发到路由器 C 时，路由器 B 根本没有查看目标 IP。相反，是传输标签告诉路由器 B 如何处理数据包。

因为没有查看底层目标地址，所以协议可以是 IP、IPv6 或任何其他协议，所以说是多协议标签交换。

向数据包添加标签有何意义？

到目前为止所说的一切听起来都非常像常规 IP 路由。如果没有 MPLS，路由器也会查看目标 IP 地址，然后将数据包发送到下一跳。那么MPLS 有什么意义呢？

如果将网络设置为每个路由器都知道整个网络中的每个 IP 地址，那么路由器 B 肯定可以从路由器 A 接收数据包，查看目标地址，检查自己的路由表，找到“最佳”路线，然后发送数据包。

但这里有一个问题：如果不想让一切都发送到所谓的“最佳”路径，会发生什么？

例如，如果所有内容都沿着一条“最佳”路径发送，则该链接可能会开始被大量使用，甚至可能达到极限。很可能会有其他根本没有被使用的潜在路径，最好将一些选择性流量发送到次优路径，以充分利用网络。

当存在另一条不太好且带宽可用的路径时，该如何解决链路饱和的问题？

如果从路由协议的角度来看，有两条或多条到达目的地的路径同样“好”，那么可以利用ECMP 或等价多路径，对流量进行负载平衡，并充分利用链接。

SD-WAN可以根据目的 IP 地址以外的质量，有选择地将流量路由到不同的链路，也许是基于应用程序本身，也可能是源 IP 地址。这对分支机构来说非常好，但对于每秒有很多千兆流量的服务提供商规模的网络，以及数以万计的用户前往数百万目的地的网络来说，很难真正的扩展。

我们需要的是某种可扩展的、功能丰富的协议，它允许以选择的任何方式发送流量，而不总是遵循“最佳”路径。

几十年前，这个问题正是服务提供商和大型企业面临的问题之一，而MPLS 就是解决答案。

标签交换路径

基于标签转发数据包的系统的优点在于，中转路由器不需要知道，甚至不需要关心数据包上的 IPv4 或 IPv6 地址。它们只关心数据包进入了带有标签 X 的接口，因此应该从带有标签 Y 的不同接口发送出去，以便路径上的下一个路由器知道如何处理它。

我们称这个端到端标记路径为LSP，或标签交换路径，参考SR-MPLS：多协议标签交换的段路由。

从路由器 1 开始检查 LSP ，一直到路由器 10。为了方便起见，我们假设它是通过RSVP创建的。给 RSVP LSP 一个名字和一个目的地，结果如下所示：

LSP 是单向的，如果要使流量在真实网络中正常工作，需要在相反的方向上建立第二个 LSP。但为了简单演示，我们只关注一个 LSP 。

如上图所示：

路由器 1 和路由器 10 是PE 路由器，或Provider Edge。

路由器 2、3、4 和 5 都是中转路由器，简称为P（Provider）路由器。

路由器 1 称为首端或入口路由器，将 LSP 想象成流量进入的隧道。

同样，路由器 10 称为尾端或出口路由器。

假设R1 和 R10 正在进行BGP，R10 对 R1 说：“如果你想到达 69.69.69.0/24，请将流量发送给我。”之后，R10 会将通告其环回为该前缀的下一跳。LSP 进入R10 的环回。

路由器 2、3、4 和 5 不需要运行 BGP，它们只查看数据包上的标签，不查看 IP 地址。然后计算出需要从哪个接口传出，相应地交换标签。

MPLS VPN

假设客户需要为其各个办公室购买 100 个 WAN 链接，但要求将其放在自己的专用网络中，不要放在公共互联网上。服务提供商该如何实现这一点？

可以通过在 WAN 链接的末端添加一些额外的配置。

服务提供商会在一个路由器内部创建多个“虚拟”路由表，这些路由表相互独立，互不通信。客户有自己专门的路由表，称为 VRF，代表Virtual Routing and Forward。

除了客户和服务提供商之外，没有人可以“看到”流量。客户之间无法相互通信，因为他们在完全独立的路由表中。

核心路由器不运行 BGP，它们不知道涉及的 IP，甚至不查看 IP 标头。它们只看标签，然后进行相应地转发。MPLS VPN 的工作方式完全相同。VPN 只需要被边缘路由器知道即可。可以沿着标签交换路径发送 VPN 流量，这意味着核心设备甚至不需要知道 VPN 的存在，它们只需要知道将流量发送到哪个远程 PE。

但这里有一个问题：在刚才看到的拓扑中，如果 R1 发送一个数据包到私有 IP 地址 10.0.6.9，在数百个 VPN 客户中，R10 如何知道这个前缀属于哪一个？

这就是标签堆栈思想由来。我们可以在数据包内添加第二个标签，告诉 R10 该数据包属于哪个 VPN。数据包捕获如下：

以太网报头

外层传输标签<--逐跳更改

内部 VPN 标签 <–仅对 R10 有意义

IP报头

TCP/UDP 等报头

有效载荷

沿途的每一跳只查看外部标签，然后当数据包到达 R10 时，该 PE 可以查看内部 VPN 标签并确定它的真正目的地。

这个 MPLS 标签保留在服务提供商核心中，从 PE 到现场客户路由器的实际 WAN 链路将是纯 IP。只有在穿过服务提供商网络时才需要标签：从服务提供商到客户的流量没有标签。