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FLOWER ON THE PRECIPICE

[学习笔记] - MPLS

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MPLS 一种在开放的通信网上利用标签引导数据高速、高效传输的新技术。

数据交换方式

  • 进程交换（Process Switch）
    • 把包放进系统缓存，拿目的地址到路由表中查询对比
    • CPU进行CRC校验，重写第二层MAC地址
  • 快速交换（Fast Switch）
    • 采用路由缓存来储存关于某条数据流的特定信息
    • 第一次还是需要执行进程交换，得到的信息写入缓存，以后用缓存进行交换
  • Cisco Express Forwarding
    • 基于硬件平台，不仅仅把数据写入缓存，而是把整个路由表，拓扑表，以及所有下一跳的地址，MAC地址全部预存
    • CEF表称为FIB（转发信息库）

概述

Multi-Protocol Label Switching多协议标签交换

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。

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），最后通过next hop将数据包发送出去。

  • 分类，将特定的数据包归属为一个等价转发类（Forwarding Equivalence Classes，FEC）
  • 查找，查找FEC对应的下一跳

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最长匹配（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。这就是我们最常见到的路由转发。

多链路负载均衡的情况下，一个FEC也可能对应一组下一跳，但是逻辑上还是能看成是一个下一跳

对于同一个路由器来说，同一个FEC必然对应同一个下一跳，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。

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

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，下一跳的查找）都是基于Label来进行的

  • 采用MPLS，可避免IP路由的逐跳转发情况，减少对数据包的深入分析，借助标签建立二层的快速转发路径，使得数据沿着一条预先建立的路径快速的转发
  • 数据包在进入MPLS网络的入口路由器上被进行一次三层查找，而在此后的LSR只是进行简单的标签交换动作，无需进一步分析三层信息
  • 每个LSR必须在数据转发之前建立好LIB，以及LFIB，当LSR收到一个标签数据帧时，将数据帧中的标签在LFIV表中进行查找，再根据LFIB表中指示的相关动作对标签进行压入，弹出，交换，移除等动作
  • Multi-Protocol：支持多三层协议，如：IP，IPv6，IPX
  • Label Switch：在所承载的报文前加上标签栈，基于标签做转发

在MPLS域中，MPLS在三层数据包的基础上，加上一个标签头，依据这个标签头进行交换

  • MPLS是一种新的转发机制，数据在MPLS网络中是根据标签信息进行转发
  • 一般而言，MPLS的标签对应目的地址
  • MPLS依赖IP路由及CEF交换
  • MPLS基于报文头部的标签进行数据转发
  • MPLS能够支持或者说承载多种三层协议

流程

  • 路由器允许IGP路由协议，维护路由表及CEF表
  • 路由器运行标签分发协议（LDP），维护LIB表（标签信息库）
    • 每个路由器为每条路由前缀捆绑标签
    • 把自己捆绑的标签通过LDP协议通告给LDP邻居
  • 路由器更新CEF表，同时维护LFIB表（FIB+LIB）
1
200 -> 300 S0/1

在MPLS域边界上的路由器，会先查FIB表，然后压入标签，进行转发
进来的包是200，则修改200为300发放下一跳

IP包查FIB，CEF表，MPLS查LFIB表

架构

  • Control plane
    • 交换三层路由信息及标签
    • TDP，LDP，BGP，RSVP
  • Data plane
    • 基于标签进行数据转发

角色

  • LSR（Label Switch Router）：标签交换路由器
    • LER（Label Edge Router）：边界标签交换路由器
      • Ingress LSR：进入MPLS网络的节点
      • Egress LSR：出MPLS网络的节点
    • Intermediate LSR：中间标签交换路由器
  • LSP（Label Switching Path）：特定的FEC中的IP协议报文所经过的LSR的集合
    • 单向路径
  • FEC：等价转发类
    • 可通过地址，隧道，CoS等方式标识
    • 属于同一个FEC具有相同的转发操作，但是不是所有用于相同标签的报文都属于同一个FEC
    • 决定报文属于哪一个FEC是入站FEC

标签

  • Label：标签
  • EXP：实验位，用于QoS
  • BoS：栈底位
    • 1：则表示最后一个标签，可以给一个数据包压多层标签
  • TTL：最大255，一般直接复制IP报文

MPLS可以嵌套，压入多个标签

  • 二层帧头都有一个字段用于标识上层协议，对于以太网帧中，协议字段使用0x8847（单播）或0x8848（组播）来标识承载的是MPLS报文
    • 如果上层是IPv4报头，则为0x0800
    • 在PPP帧中，有一种NCP为MPLSCP
  • 允许多标签存在，标签中BoS标识是否为最后一个标签
  • 路由器只处理最顶层的标签

标签处理方式

  • Insert：压入
  • Swap：置换
  • Remove：弹出

都只对顶层标签操作

应用

  • 单播
  • 组播
  • 流程工程
  • QoS
  • VPN
  • AToM

LDP

对IP路由表的每一条IGP的IP前缀来说，每一台运行LDP协议的LSR都会进行本地捆绑，也就是说，为IPv4前缀分配标签，然后LSR再将该分配的标签分发给所有邻居。这些接收到的标签转换为远程标签，之后邻居将该标签和本地标签存储于一张特殊的表中，这个表就是标签信息库LIB，通常一台LDP路由器会有多个LDP邻居，那么这些邻居都会给路由分配标签然后将这些标签传给自己

在所有捆绑某一特定前缀的远程标签中，LSR只使用其中一个标签来确定该前缀的出站标签，RIB，也就是路由表来决定IPv4前缀的下一跳是什么，而LSR从下游LSR收到的远程标签中选择其路由表中到达该前缀的下一跳的标签。LSR用这样的信息来创建它自己的标签转发信息库LFIB

邻居发现

  • 由传输地址大的一方发起TCP连接
  • 组播：224.0.0.2
  • Hello包使用UDP的646端口
  • 其他包使用TCP的646端口

双方需要由到对方的传输接口的路由

            sequenceDiagram
            R1->>R2: UDP(Hello) 组播
R2->>R1: UDP(Hello) 组播
R2->>R1: TCP SYN
R1->>R2: TCP SYN ACK
R2->>R1: TCP ACK

3个IP

  • 接口IP
  • 传输IP
  • RouterID

Hello包

  • IP Header
    • 源地址
    • 目的地址
  • UDP Header
    • 源端口：646
    • 目的端口：646
  • LDP Hello Msg
    • Transport addr
    • LDP ID
  • LDP邻居建立首先发送Hello包
  • LDP ID为6个字节，4字节IP——2字节Label SpaceID
  • 两个路由器建立LDP零件，要保证双方LDP ID三层可达
  • Transport addr一般等于LDP ID
  • LDP ID的选举和OSPF RouterID一样

Lable Space

  • Label Space ID一般为0，表示标签是基于平台发送的
  • LFIB表不包含入接口信息
  • 为前缀分配的标签在本地任意MPLS接口可用并且会分发给所有LSR邻居
  • 本地分配的标签会分发给邻居，如果单个邻居有多条连接，则该标签在所有连接上均有效，而且值是一样的
  • 基于平台的标签空间相对于基于接口的标签空间安全性要更低
  • LSR为每个标签空间只维护一个LDP session
    • 基于平台的标签空间只需要一条LDP session，即使在LDP邻居间存在多条冗余链路
  • 基于平台的标签空间Label Space ID为0

会话建立

            sequenceDiagram
            R2->>R1: 初始化消息，协商相关参数
R1->>R2: 如果接受这些参数，则发初始化信息并发keepalive
R2->>R1: 如果接受这些参数，发keepalive

标签映射消息交互

            sequenceDiagram
            R2->>R1: 标签映射消息
R1->>R2: 标签映射消息

指令

1
2
3
4
5
6
# 查看邻居
R1#show mpls ldp neighbor
# 查看FIB表
R1#show ip cef detail
# 查看LFIB表
R1#show mpls forwarding-table

帧模式标签分配

帧模式的MPLS网络标签分配遵循

  • 依赖IP路由协议构建IP路由表
  • 所有的LSR为路由表中的每条路由前缀分配标签
  • LSR将自己针对前缀分配的标签都传递给所有其他LDP邻居
  • 每个LSR建立自己的LIB，LFIB及FIB表
  • 构建IP路由表
  • 分配并分发标签，维护LIB
    • 所有LSR会为自己本地路由表中的路由前缀分配标签
    • 这些关于路由前缀的标签会被分发给其他LDP邻居
  • 维护LFIB
    • 所有LSR会为自己本地路由表中的路由前缀分配标签
    • 这些关于路由前缀的标签会被分发给其他的LDP邻居
  • 依赖IP路由协议构建IP路由表
  • 所有的LSR为路由表中的每条路由前缀分配标签
  • LSR将自己针对前缀分配的标签都传递给所有的其他LDP邻居
  • LSR将自己针对前缀分配的标签，以及邻居发来的标签存储在LIB中
  • 路由前缀的下一跳LSR发送过来的标签，用于填充FIB表中的标签信息以及LFIB表中的outgoing label

次末跳弹出

PHP before

  • 如果没有次末跳弹出，出口LSR会收到标签包，查看LFIB，弹出标签，然后发现是IP包，又查找FIB，最后按此转发，效率不高
  • 所以在前一跳就把包弹出，这样就可以加快效率
  • 出口路由器为直连路由分配的label为implicit null
  • 次末端收到出口路由器pop标签（值为3）

如果想保留EXP等字段可以使用explicit null，标签会变为0，会保留头

路由汇总影响

如果进行了路由汇总，会为原先路由分发一个标签，还会对汇总路由分发一个pop标签，从而造成误pop。如果路由器没有IP路由（只是根据标签进行判断），这个时候误弹会造成丢包

保留标签

0-15是保留标签

序号 说明
0 显示空标签
1 路由器报警
3 隐式空标签
14 OAM报警

环路避免

  • LDP环路检测机制依赖于IGP协议
  • 如果出现环路，标签头的TTL将防止标签包无止尽的被转发
  • LDP的TTL和IP包TTL相同（TTP propatation）
    • 压入的时候复制，之后不改变IP里的TTL
    • 弹出的时候复制到IP包里

MPLS BGP

BGP一个AS里面的路由，可能没有运行IBGP，导致没有路由，产生路由黑洞，MPLS可以通过标签解决这个问题
MPLS通过打标签，这样即使AS内路由器不运行EGP，也能够转发包

但是BGP的边界路由一般是不会宣告和AS之外的路由的，所以会对本AS的IBGP邻居宣告下一跳是自己，这样会导致MPLS的次末端弹出提前一个路由，从而丢包。解决方法是，IBGP的邻居关系，需要建立在loopback上，而不是直连的网段上，这样标签会分给回路IP上，就不会造成提前的次末端弹出。

路由汇总，会造成汇总路由器为路由始发路由器，从而造成没有必要的次末端弹出

MPLS VPN

单纯部署MPLS没有什么意义，IPv6已经改善了转发速度。MPLS VPN结合了overlay vpn和p2p vpn的优势

  • PE路由器与CE路由器运行动态路由协议
  • PE为每个客户维护一个独立的路由表
  • 允许客户使用重叠的地址空间

需要解决问题

  • 用什么协议来承载客户路由
  • 怎么区别客户之间的路由
  • 怎么维护这些路由

MPLS VPN架构

  • PE：运营商边界设备
    • 与客户边界设备相连接，允许MPLS，同时在PE上，使用VRF对VPN客户进行隔离
  • P：运营商设备
    • 运营商设备不直接与客户设备向连接，运行MPLS，P设备往往不知道VPN客户网络以及客户的路由，只负责运载标签数据
  • CE：客户机边界设备
    • 客户网络中，与PE直接连接的设备，主要功能是将VPN客户的路由通告给PE，以及从PE学习同一个VPN下其他站点的路由

虚拟路由转发VRF

相当于在物理路由器上，创建一台虚拟路由器，虚拟路由器可以分配接口，也就有了路由表，这个路由表是虚拟的路由表，这个路由表和全局路由表隔离，不互相干扰，同时有自己的CEF表，可以运行自己的动态路由协议。

  • 路由表
  • CEF转发表
  • 路由协议参数
  • 接口
    • 一个VRF可以有多个接口
    • 一个接口只能属于一个VRF

PE根据每个客户，创建一个VRF，相当于每个客户都单独连接一台虚拟服务器。这样客户之间的路由就可以重叠。
但是在运营商的网络内传播的时候，还是无法区分，那么就需要对路由做一定标记（VPNv4前缀）

1
2
A 1.1.1.0/24 -> 234:1:1.1.1.0/24
B 1.1.1.0/24 -> 234:2:1.1.1.0/24

标记叫做RD值（64bit），用来标识每个用户的路由，保证路由的唯一性。
这个时候，提供商BGP内就需要做改动来可以传递VPNv4路由，就利用到了扩展BGP，叫做MP-BGP（多协议BGP）

  • BGP能够承载大批量的路由前缀
  • BGP拥有丰富的路径属性及丰富的策略部署工具
  • BGP能够再非直连的Peer之间交互路由信息，因此P路由器无需运行BGP即无需维护客户的路由信息，大大减轻了负担

MP-BGP在MPLS VPN中用于在PE路由器之间交互VPNv4路由，同时为VPNv4路由分配标签

现在还需要传递给另一端路由器，哪一个用户对应哪个RD值。就由需要一个RT值来标志VPNv4路由属于哪个VRF。RT值属于扩展Community。RD和RT一起传递。再对端PE路由器上配置RT import。对应RT值导入到对应CRF里

  • RT（Route Targets）：区分VPN客户
    • RT说明路由属于哪一个VRF，区分VPN
    • 本质是BGP扩展Community属性
    • 一条路由可以有多个RT值
    • import对应export
  • RD（Route Distinguisher）：区分路由
    • RD并不会说明该前缀属于哪一个VRF
    • RD只用于确保路由唯一性
    • 一般为AS:nn或者IP:nn，nn是提供商分配的VRF唯一号码
  • VRF：虚拟路由器

直接只用RT的话，LDP需要不同路由打标签，所以路由也需要有全局唯一性

数据传输

现在数据包进行发送，会被压入标签，可以在提供商BGP内传递，但是到PE的时候，无法区分是给哪个用户的包。此时MP-iBGP就在发路由前缀的时候，同时捆绑上标签，此时对端PE发数据的时候，先压入MP-iBGP给的标签（用于识别给哪个用户），然后再压入一层标签（用于传递）

使用2层标签，内层标签由出站PE用MP-iBGP通告，外层标签为LDP标签，用于下一条传递

PE需要配置以下

  • IGP 全局路由表
  • VRF
  • MP-BGP
  • MPLS LDP
  • PE-CE动态路由协议
    • EBGP，OSPF，RIPv2，静态路由
    • 如果和内部协议不一样，需要重发布

参考