從標(biāo)簽入手了解什么是MPLS

MPLS(多協(xié)議標(biāo)簽交換) 顧名思義，它不考慮協(xié)議(多協(xié)議)，使用標(biāo)簽(標(biāo)簽交換)在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)數(shù)據(jù)包。多年來(lái)，MPLS 一直是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商確保實(shí)時(shí)應(yīng)用程序可靠連接的首選技術(shù)。

MPLS 通過(guò)將標(biāo)簽應(yīng)用于數(shù)據(jù)包的報(bào)頭來(lái)封裝傳入的數(shù)據(jù)包。MPLS 域中的每個(gè)路由器都會(huì)查看 MPLS 標(biāo)簽以了解如何處理每個(gè)數(shù)據(jù)包，但其不查看或關(guān)心數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容，它只關(guān)心標(biāo)簽。當(dāng)數(shù)據(jù)包離開(kāi) MPLS 域時(shí)，標(biāo)簽將被移除，由標(biāo)準(zhǔn) IP 路由接管。

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

MPLS 為什么要使用標(biāo)簽？

MPLS 為什么要添加標(biāo)簽？什么是標(biāo)簽？

我們先看看VLAN 標(biāo)簽是什么樣，大概就知道什么是 MPLS 標(biāo)簽了。標(biāo)簽本身基本上只是數(shù)字，如下圖所示，第 4 行寫(xiě)著“Label：299776”。

在此數(shù)據(jù)包捕獲中，標(biāo)簽被插入到“第 2 層”以太網(wǎng)報(bào)頭和“第 3 層”IP 報(bào)頭之間。這就是為什么有人說(shuō) MPLS 工作在“第2層半”。

這些數(shù)字，也就是這些標(biāo)簽，只對(duì)接收數(shù)據(jù)包的路由器有意義。本質(zhì)上，標(biāo)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(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包

或者，它告訴接收路由器該數(shù)據(jù)包是特定 VPN 的一部分

當(dāng)一個(gè)標(biāo)簽用于在特定方向轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，我們稱(chēng)之為傳輸標(biāo)簽。當(dāng)一個(gè)標(biāo)簽用于告訴路由器該數(shù)據(jù)包屬于一個(gè)特定的 VPN 時(shí)，它被稱(chēng)為服務(wù)標(biāo)簽，有時(shí)也稱(chēng)為VPN 標(biāo)簽。MPLS VPN 讓許多客戶都可以使用相同的私有 IP 范圍，因?yàn)榻邮章酚善鞑粫?huì)查看目標(biāo) IP 地址。相反，VPN 標(biāo)簽會(huì)告訴路由器數(shù)據(jù)包屬于哪個(gè)客戶。

路由器如何學(xué)習(xí)這些標(biāo)簽？

IP 是一種尋址方案，需要其他協(xié)議在各處實(shí)際通告 IP。我們可以以類(lèi)似的方式考慮 MPLS：MPLS 是一種標(biāo)簽方案，需要其他協(xié)議在各處實(shí)際通告這些標(biāo)簽。

先說(shuō)說(shuō)如何通告MPLS傳輸標(biāo)簽。有四種常見(jiàn)的方法，這四種協(xié)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(biāo)簽分發(fā)協(xié)議。這是一個(gè)非?；镜膮f(xié)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(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)標(biāo)簽交換路由器（LSR）必須用在它們之間或通過(guò)它們轉(zhuǎn)發(fā)流量的標(biāo)簽上達(dá)成一致。

RSVP是資源預(yù)留協(xié)議。RSVP 相比LDP 需要手動(dòng)配置，但優(yōu)勢(shì)在于它提供了大量的流量工程功能，能夠按照路由協(xié)議的要求以不同的方式移動(dòng)流量，例如繞過(guò)帶寬問(wèn)題進(jìn)行路由，或明確避免網(wǎng)絡(luò)中的某些鏈路。

分段路由是一種在 OSPF 或 IS-IS 內(nèi)部發(fā)布標(biāo)簽的方法，這意味著不需要運(yùn)行額外的協(xié)議來(lái)通告標(biāo)簽。它可以實(shí)時(shí)告訴路由器使用哪個(gè)標(biāo)簽到達(dá)哪個(gè)目的地。通過(guò)將決策置于中央控制器中，可以獲得真正的網(wǎng)絡(luò)全局視圖，甚至在 OSPF 區(qū)域或 IS-IS 級(jí)別，以及不同的自治系統(tǒng)之間。

BGP-Labelled Unicast是一個(gè)特殊的 BGP 地址族，往往只用于一些非常特地的、更高級(jí)的場(chǎng)景。

MPLS VPN 標(biāo)簽幾乎都是在 BGP 中通告的。畢竟，如果不能在兩個(gè)路由器之間傳輸數(shù)據(jù)包，就不能在它們之間運(yùn)行 VPN。

路由器如何處理這些標(biāo)簽？

兩個(gè)路由器之間的對(duì)話可能是這樣的，路由器 B 對(duì)路由器 A 說(shuō)“如果你想讓我將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給路由器Z，包裹寄給我的時(shí)候貼上標(biāo)簽123456”。然后路由器 B 會(huì)對(duì)自己編程，如果數(shù)據(jù)包帶有標(biāo)簽 123456，則該數(shù)據(jù)包會(huì)始終從特定接口發(fā)送出去。

路由器 B 并不知道這個(gè)傳出接口是不是通往路由器 Z 的“最佳”路徑。當(dāng)路由器 B 將此數(shù)據(jù)包發(fā)送到路由器 C 時(shí)，路由器 C 也將根據(jù)標(biāo)簽知道如何處理該數(shù)據(jù)包，路由器 D 和路由器 E 等也會(huì)如此，一直到終點(diǎn)目的地。只要從一端到另一端有一個(gè)標(biāo)簽交換路徑，沿途的路由器就能夠成功地將數(shù)據(jù)包從 A 傳輸?shù)?Z 。

路由器 B 甚至可能在發(fā)送標(biāo)簽時(shí)將標(biāo)簽更改為其他內(nèi)容。在 LDP 和 RSVP 中，標(biāo)簽通常只對(duì)路由器本身有意義，沿途的每個(gè)路由器都可以自己決定它希望前一跳使用什么標(biāo)簽。當(dāng)標(biāo)簽沿途發(fā)生變化時(shí)，我們稱(chēng)之為“交換”標(biāo)簽。例如，路由器 A 將標(biāo)簽為 123456 的數(shù)據(jù)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(biāo)簽 345678。

（相比之下，Segment Routing 中的某些標(biāo)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(guān)鍵是，當(dāng)路由器 B 收到數(shù)據(jù)包并將其轉(zhuǎn)發(fā)到路由器 C 時(shí)，路由器 B 根本沒(méi)有查看目標(biāo) IP。相反，是傳輸標(biāo)簽告訴路由器 B 如何處理數(shù)據(jù)包。

因?yàn)闆](méi)有查看底層目標(biāo)地址，所以協(xié)議可以是 IP、IPv6 或任何其他協(xié)議，所以說(shuō)是多協(xié)議標(biāo)簽交換。

向數(shù)據(jù)包添加標(biāo)簽有何意義？

到目前為止所說(shuō)的一切聽(tīng)起來(lái)都非常像常規(guī) IP 路由。如果沒(méi)有 MPLS，路由器也會(huì)查看目標(biāo) IP 地址，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到下一跳。那么MPLS 有什么意義呢？

如果將網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為每個(gè)路由器都知道整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè) IP 地址，那么路由器 B 肯定可以從路由器 A 接收數(shù)據(jù)包，查看目標(biāo)地址，檢查自己的路由表，找到“最佳”路線，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包。

但這里有一個(gè)問(wèn)題：如果不想讓一切都發(fā)送到所謂的“最佳”路徑，會(huì)發(fā)生什么？

例如，如果所有內(nèi)容都沿著一條“最佳”路徑發(fā)送，則該鏈接可能會(huì)開(kāi)始被大量使用，甚至可能達(dá)到極限。很可能會(huì)有其他根本沒(méi)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(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)存在另一條不太好且?guī)捒捎玫穆窂綍r(shí)，該如何解決鏈路飽和的問(wèn)題？

如果從路由協(xié)議的角度來(lái)看，有兩條或多條到達(dá)目的地的路徑同樣“好”，那么可以利用ECMP 或等價(jià)多路徑，對(duì)流量進(jìn)行負(fù)載平衡，并充分利用鏈接。

SD-WAN可以根據(jù)目的 IP 地址以外的質(zhì)量，有選擇地將流量路由到不同的鏈路，也許是基于應(yīng)用程序本身，也可能是源 IP 地址。這對(duì)分支機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)非常好，但對(duì)于每秒有很多千兆流量的服務(wù)提供商規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，以及數(shù)以萬(wàn)計(jì)的用戶前往數(shù)百萬(wàn)目的地的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，很難真正的擴(kuò)展。

我們需要的是某種可擴(kuò)展的、功能豐富的協(xié)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(gè)問(wèn)題正是服務(wù)提供商和大型企業(yè)面臨的問(wèn)題之一，而MPLS 就是解決答案。

標(biāo)簽交換路徑

基于標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，中轉(zhuǎn)路由器不需要知道，甚至不需要關(guān)心數(shù)據(jù)包上的 IPv4 或 IPv6 地址。它們只關(guān)心數(shù)據(jù)包進(jìn)入了帶有標(biāo)簽 X 的接口，因此應(yīng)該從帶有標(biāo)簽 Y 的不同接口發(fā)送出去，以便路徑上的下一個(gè)路由器知道如何處理它。

我們稱(chēng)這個(gè)端到端標(biāo)記路徑為L(zhǎng)SP，或標(biāo)簽交換路徑。

從路由器 1 開(kāi)始檢查 LSP ，一直到路由器 10。為了方便起見(jiàn)，我們假設(shè)它是通過(guò)RSVP創(chuàng)建的。給 RSVP LSP 一個(gè)名字和一個(gè)目的地，結(jié)果如下所示：

LSP 是單向的，如果要使流量在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中正常工作，需要在相反的方向上建立第二個(gè) LSP。但為了簡(jiǎn)單演示，我們只關(guān)注一個(gè) 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(zhuǎn)路由器，簡(jiǎn)稱(chēng)為P（Provider）路由器。

路由器 1 稱(chēng)為首端或入口路由器，將 LSP 想象成流量進(jìn)入的隧道。

同樣，路由器 10 稱(chēng)為尾端或出口路由器。

假設(shè)R1 和 R10 正在進(jìn)行BGP，R10 對(duì) R1 說(shuō)：“如果你想到達(dá) 69.69.69.0/24，請(qǐng)將流量發(fā)送給我。”之后，R10 會(huì)將通告其環(huán)回為該前綴的下一跳。LSP 進(jìn)入R10 的環(huán)回。

路由器 2、3、4 和 5 不需要運(yùn)行 BGP，它們只查看數(shù)據(jù)包上的標(biāo)簽，不查看 IP 地址。然后計(jì)算出需要從哪個(gè)接口傳出，相應(yīng)地交換標(biāo)簽。

MPLS VPN

假設(shè)客戶需要為其各個(gè)辦公室購(gòu)買(mǎi) 100 個(gè) WAN 鏈接，但要求將其放在自己的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)中，不要放在公共互聯(lián)網(wǎng)上。服務(wù)提供商該如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)？

可以通過(guò)在 WAN 鏈接的末端添加一些額外的配置。

服務(wù)提供商會(huì)在一個(gè)路由器內(nèi)部創(chuàng)建多個(gè)“虛擬”路由表，這些路由表相互獨(dú)立，互不通信?？蛻粲凶约簩?zhuān)門(mén)的路由表，稱(chēng)為 VRF，代表Virtual Routing and Forward。

除了客戶和服務(wù)提供商之外，沒(méi)有人可以“看到”流量。客戶之間無(wú)法相互通信，因?yàn)樗麄冊(cè)谕耆?dú)立的路由表中。

核心路由器不運(yùn)行 BGP，它們不知道涉及的 IP，甚至不查看 IP 標(biāo)頭。它們只看標(biāo)簽，然后進(jìn)行相應(yīng)地轉(zhuǎn)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?biāo)簽交換路徑發(fā)送 VPN 流量，這意味著核心設(shè)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(gè)遠(yuǎn)程 PE。

但這里有一個(gè)問(wèn)題：在剛才看到的拓?fù)渲?，如?R1 發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包到私有 IP 地址 10.0.6.9，在數(shù)百個(gè) VPN 客戶中，R10 如何知道這個(gè)前綴屬于哪一個(gè)？

這就是標(biāo)簽堆棧思想由來(lái)。我們可以在數(shù)據(jù)包內(nèi)添加第二個(gè)標(biāo)簽，告訴 R10 該數(shù)據(jù)包屬于哪個(gè) VPN。數(shù)據(jù)包捕獲如下：

以太網(wǎng)報(bào)頭

外層傳輸標(biāo)簽<--逐跳更改

內(nèi)部 VPN 標(biāo)簽 <–僅對(duì) R10 有意義

IP報(bào)頭

TCP/UDP 等報(bào)頭

有效載荷

沿途的每一跳只查看外部標(biāo)簽，然后當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá) R10 時(shí)，該 PE 可以查看內(nèi)部 VPN 標(biāo)簽并確定它的真正目的地。

這個(gè) MPLS 標(biāo)簽保留在服務(wù)提供商核心中，從 PE 到現(xiàn)場(chǎng)客戶路由器的實(shí)際 WAN 鏈路將是純 IP。只有在穿過(guò)服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)時(shí)才需要標(biāo)簽：從服務(wù)提供商到客戶的流量沒(méi)有標(biāo)簽。

編輯：何安