4.9 多协议标记交换MPLS

思维导图：

前言：

**4.9 多协议标记交换MPLS笔记**

1. **定义与背景**：
- MPLS (多协议标记交换) 是一种由 IETF 开发的新协议。
- “多协议”意味着 MPLS 的上层可以使用多种协议。
- 该协议综合了多家公司的技术，如 Cisco 的 TAG Switching 和 Ipsilon 的 IP Switching。
- 于2001年1月成为互联网建议标准。

2. **工作原理**：
- MPLS 使用面向连接技术，使每个分组带有一个 "标记" (label)。
- 分组到达交换机 (标记交换路由器) 时，通过标记检索分组转发表，提高了转发效率。

3. **与ATM的关系**：
- MPLS 和 ATM 都采用面向连接的工作方式。
- 一度人们认为 ATM 会是网络的未来，但高速 IP 路由器由于其价格低廉，占据了主导地位，导致 ATM 未成为主流。
- MPLS 不是为了取代 IP，而是作为 IP 的增强技术在互联网中被广泛应用。

4. **MPLS 的特点**：
- 支持面向连接的服务质量。
- 支持流量工程，可以平衡网络负载。
- 有效支持虚拟专用网 (VPN)。

5. **其他说明**：
- MPLS 中的 "label" 通常被翻译为 "标记"，尽管也有其他翻译如 "标签"。

4.9.1 MPLS的工作原理笔记

1. **传统IP网络问题**：
- 分组在每个路由器都需查找路由表，按“最长前缀匹配”确定下一跳。
- 大型网络路由表查找时间长，可导致缓存溢出、分组丢失和服务质量下降。

2. **MPLS解决方案**：
- 在MPLS域入口，为IP数据报打上固定长度“标记”。
- 根据标记用硬件转发IP数据报，速度加快。
- 采用标记交换：不再上升到第三层，直接在第二层用硬件转发。

3. **MPLS域和LSR**：
- MPLS域中所有路由器都支持MPLS技术，称为标记交换路由器LSR。
- LSR同时具有标记交换和路由选择功能。

4. **MPLS基本工作过程**：
- **标记分配与交换路径**：LSR使用标记分配协议LDP交换报文，确定与标记对应的标记交换路径LSP。例如路径A→B→C→D。
- **打标记与转发**：IP数据报进入MPLS域时，入口结点打上标记并按转发表转发给下一个LSR。后续LSR都按标记转发。
- **标记对换**：每个LSR在转发时，将入标记更换为出标记。
- **标记移除**：IP数据报离开MPLS域时，出口结点移除标记，后续使用常规转发。

5. **分类**：
- 分类指为IP数据报打标记的过程。
- 三种分类：第三层(仅IP首部)，第四层(加入TCP/UDP首部)，第五层(考虑有效载荷)。

6. **显式路由选择与传统路由选择**：
- MPLS采用显式路由选择，由入口LSR确定整个MPLS域内的转发路径。
- 与常见的“每路由器逐跳选择”方式不同。

这些笔记摘要了MPLS的工作原理，从其与传统IP网络的区别、基本操作流程到重要概念，为读者提供了一个清晰的理解框架。

我的理解：

我们可以用“机场快速通道”来类比MPLS的工作原理。

1. **标记（Label）的引入**：
- 想象你进入一个国际机场，首先需要办理托运、安检等一系列手续。如果你是一个特定的VIP旅客，你会被赋予一个特别的徽章或贴纸。这就类似于MPLS中为数据报文加上的标记。

2. **硬件转发**：
- 拥有VIP标记的你不再需要在每个检查点排队并按照常规流程办理，而是可以直接沿着专门为VIP设定的快速通道前进，类似于数据报文在MPLS域中的快速转发。

3. **标记交换（Label Swapping）**：
- 当你从一个航站楼走到另一个航站楼时，可能需要更换你的VIP徽章或贴纸，因为在不同的航站楼中，标识VIP的方法可能不同。这就像MPLS中数据报文在每个路由器上更换标记。

4. **确定路径与LSP**：
- 在机场内，有明确标示的路线图，指引VIP旅客应该如何快速通过机场各个环节。这与MPLS中预先设定的标记交换路径（LSP）相似。

5. **退出MPLS域**：
- 当你最终到达登机口，准备登机时，你的VIP标记可能会被移除，你将与其他所有旅客一样登机。这与数据报文在离开MPLS域时去除标记的过程相似。

6. **显式路由选择**：
- 这就像机场为VIP旅客提供的专用路线，不同于常规旅客的路径，整个过程都已预先规划好，不需要在每个环节重新决策。

所以，MPLS就像是网络中的“VIP快速通道”，能够更高效地处理数据流，并确保数据报文快速、稳定地到达目的地。

MPLS转发等价类FEC

**定义**：
- **FEC (Forwarding Equivalence Class)**：一组被路由器以相同方式处理的IP数据报集合。这种相同的方式处理可以是：同样的接口转发、相同的下一跳地址、相同的服务类别、相同的丢弃优先级等。

**FEC的例子**：
1. 与特定IP地址前缀匹配的目的IP数据报（类似于普通的IP路由器）。
2. 所有源地址和目的地址都相同的IP数据报。
3. 满足某种服务质量需求的IP数据报。

**特性**：
- FEC的划分非常灵活，完全取决于网络管理员的需求和判断。
- 一个入口节点不是给每一个IP数据报都分配一个独特的标记，而是给同一FEC的IP数据报分配相同的标记。
- FEC与标记之间是一对一的关系。

**FEC在负载平衡中的应用**（参考图4-62）：
- 传统路由选择方法可能导致某条路径过载，如A→B→C。
- 使用MPLS和FEC，可以通过定义多种FEC来实现负载平衡。
- 例如，A可以为来自H₁目的地为H₃的数据定义FEC，并选择路径H₁→A→B→C→H₃；
- 而为来自H₂目的地为H₄的数据定义另一个FEC，并选择路径H₂→A→D→E→C→H₄。
- 这样的策略使得网络负载更均衡，称为流量工程（Traffic Engineering）或通信量工程。

**其他**：
- 『标记对换』与『标记交换』在MPLS上下文中的使用注意。虽然MPLS的LS表示“标记交换”，实际功能是“标记对换”。

【图4-62解读】：
- 传统路由可能导致A→B→C路径过载。
- 通过使用MPLS和自定义FEC，可以使负载更均衡，例如通过路径H₁→A→B→C→H₃和H₂→A→D→E→C→H₄。

我的理解：

我们可以用一个"火车站调度"的比喻来解释。

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想象一下，IP数据报是一列列火车，而我们的网络就是一套复杂的铁路系统。每列火车都有自己的起点和目的地，需要在这个铁路系统上找到一条适当的路径。在普通的路由方式中，所有火车都会被调度到最短或最快的路径，比如从A站到C站只经过B站。这就像一个繁忙的火车站，所有的火车都尝试走最快的线路，结果造成了这条线路的拥堵。

而**FEC**就像是火车站的调度员，他们可以为火车分配特定的轨道。比如，从H₁出发去H₃的火车可能被分配到A-B-C这条线路，而从H₂出发去H₄的火车可能被分配到A-D-E-C这条线路。这样，火车的流量就被合理地分散开，使得整个铁路系统运行得更加平稳和高效。

**标记**可以看作火车上挂的标志或者车票，告诉火车应该走哪条线路。同一种FEC的火车都有相同的标志或车票，因此它们都会走相同的路径。

这种方法，也就是为火车（或IP数据报）分配特定的轨道（或路径），使得火车流量更均匀地分布在整个铁路系统上，就叫做“流量工程”或“通信量工程”。

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笔记：MPLS首部的位置与格式

邮递标签的需要：
- 通常，我们发送的邮件只需要一个地址标签。但有时，为了特殊处理或更高效的投递，我们可能需要加上一个额外的标签。
- 同样，IP数据报在传输时需要一种特殊的“标签”，即MPLS标记。但是，像IPv4这样的标准邮递方式并没有为这种特殊标签预留空间。因此，我们需要一个方法将其加入。
标签的位置：
- 假设你的邮件是放在一个信封里的。在你的信和信封之间，你加上了这个特殊的邮递标签。
- 同样地，MPLS首部就像这个特殊标签，位于数据报和以太网帧之间，确切地说，它位于第二层和第三层之间。
标签的识别：
- 为了让邮递员知道这是一个特殊的包裹，这个邮递标签有一个特定的标记或颜色。
- 对于MPLS，当帧携带MPLS标记时，以太网的类型字段会有特定的值，使接收方知道这是一个带有MPLS标记的帧。
标签的细节：
- 这个邮递标签上有几个重要的字段或部分，如特殊处理要求、优先级和有效期等。
- MPLS首部有四个字段：标记值、试验、栈S和生存时间TTL。其中，标记值就像一个特定的编号，指明如何处理这个数据报。生存时间TTL像邮递标签上的有效期，确保邮件不会在邮局里不断地被传递，而无法被投递。

多协议标记交换 (MPLS) 总结

**重点：**

1. **标记和标记交换**：MPLS的核心是给数据包打标签并在网络中交换这些标签，以高效地路由数据包。
2. **转发等价类 (FEC)**：相同处理方式的IP数据报的集合。一旦一个数据包被分配到一个FEC，它就被赋予一个标签，此后在MPLS网络中，数据包的路由基于这个标签而非其原始IP头。
3. **性能优化**：MPLS允许流量工程和QoS（服务质量）优化，从而实现更高效和可靠的网络性能。
4. **层次结构**：MPLS操作在第2层（数据链路层）和第3层（网络层）之间，这意味着它可以在多种物理网络上工作。

**难点：**

1. **配置和管理**：由于MPLS提供了高度的灵活性，配置和管理可能会复杂，尤其是在大型网络中。
2. **理解标签堆栈**：在某些情况下，MPLS标签可以堆叠在一起，这需要对MPLS有深入的理解。
3. **流量工程**：虽然MPLS支持流量工程，但要正确和有效地实现它可能需要深入的网络知识和实践经验。

**易错点：**

1. **误解标签操作**：可能会混淆MPLS标签和常规IP路由。重要的是要记住，一旦数据包进入MPLS网络，它是基于其标签而不是IP头进行路由的。
2. **配置错误**：由于MPLS的灵活性，配置错误可能导致数据包路由不当，或网络性能下降。
3. **标签资源管理**：不当地管理和分配MPLS标签可能会浪费网络资源。

通过对MPLS的深入理解和实践，网络工程师可以避免这些常见的误区并充分利用其提供的优势。