從標簽入手了解什么是MPLS

MPLS(多協議標簽交換) 顧名思義，它不考慮協議(多協議)，使用標簽(標簽交換)在網絡中移動數據包。多年來，MPLS 一直是網絡運營商確保實時應用程序可靠連接的首選技術。

MPLS 通過將標簽應用于數據包的報頭來封裝傳入的數據包。MPLS 域中的每個路由器都會查看 MPLS 標簽以了解如何處理每個數據包，但其不查看或關心數據包中的內容，它只關心標簽。當數據包離開 MPLS 域時，標簽將被移除，由標準 IP 路由接管。

可以看出，MPLS技術的核心就是標簽交換。本文我們將從標簽入手，逐步了解什么是MPLS。

MPLS 為什么要使用標簽？

MPLS 為什么要添加標簽？什么是標簽？

我們先看看VLAN 標簽是什么樣，大概就知道什么是 MPLS 標簽了。標簽本身基本上只是數字，如下圖所示，第 4 行寫著“Label：299776”。

在此數據包捕獲中，標簽被插入到“第 2 層”以太網報頭和“第 3 層”IP 報頭之間。這就是為什么有人說 MPLS 工作在“第2層半”。

這些數字，也就是這些標簽，只對接收數據包的路由器有意義。本質上，標簽就像一條指令，這條指令通常做兩件事：

它告訴接收路由器如何轉發(fā)數據包

或者，它告訴接收路由器該數據包是特定 VPN 的一部分

當一個標簽用于在特定方向轉發(fā)數據包時，我們稱之為傳輸標簽。當一個標簽用于告訴路由器該數據包屬于一個特定的 VPN 時，它被稱為服務標簽，有時也稱為VPN 標簽。MPLS VPN 讓許多客戶都可以使用相同的私有 IP 范圍，因為接收路由器不會查看目標 IP 地址。相反，VPN 標簽會告訴路由器數據包屬于哪個客戶。

路由器如何學習這些標簽？

IP 是一種尋址方案，需要其他協議在各處實際通告 IP。我們可以以類似的方式考慮 MPLS：MPLS 是一種標簽方案，需要其他協議在各處實際通告這些標簽。

先說說如何通告MPLS傳輸標簽。有四種常見的方法，這四種協議以完全不同的方式工作，并且有不同的用例。

LDP(Label Distribution Protocol)代表標簽分發(fā)協議。這是一個非?；镜膮f議，并且易于配置。流量將始終遵循 OSPF/IS-IS 指定的最佳路徑。在 MPLS 網絡中，兩個標簽交換路由器（LSR）必須用在它們之間或通過它們轉發(fā)流量的標簽上達成一致。

RSVP是資源預留協議。RSVP 相比LDP 需要手動配置，但優(yōu)勢在于它提供了大量的流量工程功能，能夠按照路由協議的要求以不同的方式移動流量，例如繞過帶寬問題進行路由，或明確避免網絡中的某些鏈路。

分段路由是一種在 OSPF 或 IS-IS 內部發(fā)布標簽的方法，這意味著不需要運行額外的協議來通告標簽。它可以實時告訴路由器使用哪個標簽到達哪個目的地。通過將決策置于中央控制器中，可以獲得真正的網絡全局視圖，甚至在 OSPF 區(qū)域或 IS-IS 級別，以及不同的自治系統(tǒng)之間。

BGP-Labelled Unicast是一個特殊的 BGP 地址族，往往只用于一些非常特地的、更高級的場景。

MPLS VPN 標簽幾乎都是在 BGP 中通告的。畢竟，如果不能在兩個路由器之間傳輸數據包，就不能在它們之間運行 VPN。

路由器如何處理這些標簽？

兩個路由器之間的對話可能是這樣的，路由器 B 對路由器 A 說“如果你想讓我將數據包轉發(fā)給路由器Z，包裹寄給我的時候貼上標簽123456”。然后路由器 B 會對自己編程，如果數據包帶有標簽 123456，則該數據包會始終從特定接口發(fā)送出去。

路由器 B 并不知道這個傳出接口是不是通往路由器 Z 的“最佳”路徑。當路由器 B 將此數據包發(fā)送到路由器 C 時，路由器 C 也將根據標簽知道如何處理該數據包，路由器 D 和路由器 E 等也會如此，一直到終點目的地。只要從一端到另一端有一個標簽交換路徑，沿途的路由器就能夠成功地將數據包從 A 傳輸到 Z 。

路由器 B 甚至可能在發(fā)送標簽時將標簽更改為其他內容。在 LDP 和 RSVP 中，標簽通常只對路由器本身有意義，沿途的每個路由器都可以自己決定它希望前一跳使用什么標簽。當標簽沿途發(fā)生變化時，我們稱之為“交換”標簽。例如，路由器 A 將標簽為 123456 的數據包發(fā)送到路由器 B ，路由器 B 在將其發(fā)送到路由器 C 之前可以將其“交換”為標簽 345678。

（相比之下，Segment Routing 中的某些標簽是全局的，因此它不是MPLS 的通用規(guī)則。）

上面的例子要理解的關鍵是，當路由器 B 收到數據包并將其轉發(fā)到路由器 C 時，路由器 B 根本沒有查看目標 IP。相反，是傳輸標簽告訴路由器 B 如何處理數據包。

因為沒有查看底層目標地址，所以協議可以是 IP、IPv6 或任何其他協議，所以說是多協議標簽交換。

向數據包添加標簽有何意義？

到目前為止所說的一切聽起來都非常像常規(guī) IP 路由。如果沒有 MPLS，路由器也會查看目標 IP 地址，然后將數據包發(fā)送到下一跳。那么MPLS 有什么意義呢？

如果將網絡設置為每個路由器都知道整個網絡中的每個 IP 地址，那么路由器 B 肯定可以從路由器 A 接收數據包，查看目標地址，檢查自己的路由表，找到“最佳”路線，然后發(fā)送數據包。

但這里有一個問題：如果不想讓一切都發(fā)送到所謂的“最佳”路徑，會發(fā)生什么？

例如，如果所有內容都沿著一條“最佳”路徑發(fā)送，則該鏈接可能會開始被大量使用，甚至可能達到極限。很可能會有其他根本沒有被使用的潛在路徑，最好將一些選擇性流量發(fā)送到次優(yōu)路徑，以充分利用網絡。

當存在另一條不太好且?guī)捒捎玫穆窂綍r，該如何解決鏈路飽和的問題？

如果從路由協議的角度來看，有兩條或多條到達目的地的路徑同樣“好”，那么可以利用ECMP 或等價多路徑，對流量進行負載平衡，并充分利用鏈接。

SD-WAN可以根據目的 IP 地址以外的質量，有選擇地將流量路由到不同的鏈路，也許是基于應用程序本身，也可能是源 IP 地址。這對分支機構來說非常好，但對于每秒有很多千兆流量的服務提供商規(guī)模的網絡，以及數以萬計的用戶前往數百萬目的地的網絡來說，很難真正的擴展。

我們需要的是某種可擴展的、功能豐富的協議，它允許以選擇的任何方式發(fā)送流量，而不總是遵循“最佳”路徑。

幾十年前，這個問題正是服務提供商和大型企業(yè)面臨的問題之一，而MPLS 就是解決答案。

標簽交換路徑

基于標簽轉發(fā)數據包的系統(tǒng)的優(yōu)點在于，中轉路由器不需要知道，甚至不需要關心數據包上的 IPv4 或 IPv6 地址。它們只關心數據包進入了帶有標簽 X 的接口，因此應該從帶有標簽 Y 的不同接口發(fā)送出去，以便路徑上的下一個路由器知道如何處理它。

我們稱這個端到端標記路徑為LSP，或標簽交換路徑。

從路由器 1 開始檢查 LSP ，一直到路由器 10。為了方便起見，我們假設它是通過RSVP創(chuàng)建的。給 RSVP LSP 一個名字和一個目的地，結果如下所示：

LSP 是單向的，如果要使流量在真實網絡中正常工作，需要在相反的方向上建立第二個 LSP。但為了簡單演示，我們只關注一個 LSP 。

如上圖所示：

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 都是中轉路由器，簡稱為P（Provider）路由器。

路由器 1 稱為首端或入口路由器，將 LSP 想象成流量進入的隧道。

同樣，路由器 10 稱為尾端或出口路由器。

假設R1 和 R10 正在進行BGP，R10 對 R1 說：“如果你想到達 69.69.69.0/24，請將流量發(fā)送給我?！敝?，R10 會將通告其環(huán)回為該前綴的下一跳。LSP 進入R10 的環(huán)回。

路由器 2、3、4 和 5 不需要運行 BGP，它們只查看數據包上的標簽，不查看 IP 地址。然后計算出需要從哪個接口傳出，相應地交換標簽。

MPLS VPN

假設客戶需要為其各個辦公室購買 100 個 WAN 鏈接，但要求將其放在自己的專用網絡中，不要放在公共互聯網上。服務提供商該如何實現這一點？

可以通過在 WAN 鏈接的末端添加一些額外的配置。

服務提供商會在一個路由器內部創(chuàng)建多個“虛擬”路由表，這些路由表相互獨立，互不通信?？蛻粲凶约簩ｉT的路由表，稱為 VRF，代表Virtual Routing and Forward。

除了客戶和服務提供商之外，沒有人可以“看到”流量?？蛻糁g無法相互通信，因為他們在完全獨立的路由表中。

核心路由器不運行 BGP，它們不知道涉及的 IP，甚至不查看 IP 標頭。它們只看標簽，然后進行相應地轉發(fā)。MPLS VPN 的工作方式完全相同。VPN 只需要被邊緣路由器知道即可?？梢匝刂鴺撕灲粨Q路徑發(fā)送 VPN 流量，這意味著核心設備甚至不需要知道 VPN 的存在，它們只需要知道將流量發(fā)送到哪個遠程 PE。

但這里有一個問題：在剛才看到的拓撲中，如果 R1 發(fā)送一個數據包到私有 IP 地址 10.0.6.9，在數百個 VPN 客戶中，R10 如何知道這個前綴屬于哪一個？

這就是標簽堆棧思想由來。我們可以在數據包內添加第二個標簽，告訴 R10 該數據包屬于哪個 VPN。數據包捕獲如下：

以太網報頭

外層傳輸標簽<--逐跳更改

內部 VPN 標簽 <–僅對 R10 有意義

IP報頭

TCP/UDP 等報頭

有效載荷

沿途的每一跳只查看外部標簽，然后當數據包到達 R10 時，該 PE 可以查看內部 VPN 標簽并確定它的真正目的地。

這個 MPLS 標簽保留在服務提供商核心中，從 PE 到現場客戶路由器的實際 WAN 鏈路將是純 IP。只有在穿過服務提供商網絡時才需要標簽：從服務提供商到客戶的流量沒有標簽。

編輯：何安