計算機網路技術和服務/MPLS

多協議標籤交換 (MPLS) 是新寬頻 (IP) 公共網路的使能技術。它可以被認為是控制不同子協議的協議架構（或一套協議）。

MPLS 在通常被認為位於傳統定義的第 2 層（資料鏈路層）和第 3 層（網路層）之間的層上執行。

優點

• MPLS 的引入簡化了傳統的“大洋蔥”。
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IP 協議是為研究目的而開發的，並沒有設計成一種服務。它是一種所謂的“盡力而為協議”，這意味著沒有明確的目的在於提供保證可靠的服務（速度、延遲…）。

當 IP 開始成為一種商業產品時，國際電信聯盟 (ITU) 開始開發協議（如 ATM、幀中繼等），針對服務可靠性和穩定性，認為它們將滲透到計算機電信領域。然而，終端使用者一直使用 IP，因此，如今服務提供商必須處理大量協議才能將 IP 傳輸給終端使用者：這種“大洋蔥”由於高維護成本、裝置和軟體開發成本，為了保證互操作性，對服務提供商來說毫無意義。

思科系統是第一個在其路由器中實現標籤交換的供應商，然後 IETF 採用了該協議，並將其命名為 MPLS。

MPLS 結合了無連線協議的最佳特性和麵向連線協議的最佳特性，代表了“大洋蔥”問題的解決方案，原因有兩個

• MPLS 為基於 IP 的網路提供了更高的服務可靠性和更單一的統一控制平面，該平面與資料平面隔離
  • 在 IP 中，控制平面和資料平面在網路中每次發生變化時都會不斷更新；
  • 在 MPLS 中，更新僅在建立新的 LSP 時發生；由於資料平面和控制平面之間存在分離，因此可以使用獨立的約束來設定路徑；
• MPLS 允許透過簡單地更新其軟體來重用傳統的 ATM 裝置。

主要功能

• 可能性\ul{流量工程}: 在網路上分發流量負載以避免擁塞；
• 協議獨立性 (多協議) → 對從 IPv4 過渡到 IPv6 有用；
• 旨在授予服務質量 (尚未支援)；
• 統一控制平面: 它可用於除 IP 之外的任何網路（例如，MPλS 用於光網路）；
• 快速故障恢復: 可以建立一對節點之間的兩條路徑，因此，如果第一條路徑出現故障，LSR 就可以通知故障並快速將流量轉移到第二條路徑 (相反，在 IP 中很難將兩條路徑插入路由表，如果鏈路出現故障，路由器需要交換路由資訊並執行復雜的演算法來查詢另一條路徑).

網路架構

MPLS 網路的示例。

標籤交換路由器 (LSR) 是負責交換用於路由資料包的標籤的裝置。LSR 被稱為標籤邊緣路由器，當放置在 MPLS 雲的邊緣時。LSR 結合了路由器的智慧性和交換機的速度：它們能夠像路由器一樣以巧妙的方式進行路由，避免了像交換機一樣複雜的資料結構和演算法。

MPLS 雲可以逐步部署：它們可以增長並可以相互整合。

資料平面

資料平面是根據標籤交換資料包的能力。

MPLS 頭部

包含單個標籤堆疊條目資料包的格式。

IP 資料包以包含一個或多個標籤堆疊條目的 MPLS 頭部為字首。每個標籤堆疊條目包含四個欄位

• 標籤: 路由基於此欄位，而不是 IP 目的地址；
• 流量類別 (exp): 用於服務質量 (QoS) 優先順序和顯式擁塞通知 (ECN)；
• 堆疊底部 標誌 (S): 如果設定，當前標籤是堆疊中的最後一個標籤；
• 生存時間 (TTL).

標籤交換

MPLS 標籤交換的示例。

標籤交換路徑 (LSP) 是由信令協議設定的路徑，該路徑將源標籤邊緣路由器 (入口) 連線到一個排放路由器 (出口)

• 當入口 LSR 接收資料包時，它會向其新增標籤，並將其轉發到之前建立的 LSP 的下一個躍點；
• 當出口 LSR 接收資料包時，它會剝離其標籤，並將其轉發到 MPLS 雲的外部。

轉發等效類 (FEC) 是可以以相同方式轉發的資料包集；也就是說，它們可能繫結到相同的 MPLS 標籤。標籤在整個 MPLS 雲上不是唯一的，但在每個躍點上都會更改（標籤交換）。請注意，在整個網路中保證標籤的唯一性將需要過於複雜的協議和過長的標籤。

使用標籤使 MPLS 能夠提供兩種服務

• 快速查詢: 基於“最長字首匹配”演算法的 IP 路由很複雜，難以最佳化，並且在處理大量路由時不夠快。

MPLS 提供了比 IP 更快的查詢，因為資料包轉發決策完全基於標籤，標籤位於 IP 資料包之前，無需檢查資料包本身的內容：實際上，每個標籤都可以用作訪問路由表的鍵，如陣列或雜湊表，以加快路由發現；

• 流量工程: IP 傾向於聚合流量，但大量資料包透過相同的路徑並不提供有效的服務。由於這將需要靜態路由配置 → 昂貴且不可擴充套件，因此無法輕鬆避免這種情況。

MPLS 能夠像面向連線的協議一樣控制流量：MPLS 路由涉及源和目標標籤，路由器可以將與負載最輕的路徑相對應的標籤分配給新的資料包流，以避免擁塞並允許流量分發。此外，由於節點不可用而導致的路徑故障不會影響其他路徑。

層次結構和可擴充套件性

LSP 上標籤的層次結構。

MPLS 具有很高的可擴充套件性：在一個大型 MPLS 雲（域 1）內部，可以分層定義一個更小的 MPLS 雲（域 2）等等，並且可以在一個堆疊資料結構中將多個標籤堆疊條目儲存在一起。當資料包進入更高域的雲時，標籤堆疊條目從內部新增到外部；當資料包退出更低域的雲時，標籤堆疊條目從外部剝離到內部。不在雲邊緣的 LSR 始終處理外部標籤堆疊條目。這種標籤的層次結構可以對應於提供商的層次結構，並且標籤的數量僅受乙太網幀大小的限制。

這種技術帶來了一些優勢

• 它減小了路由和轉發表的大小，因為它們不必是全面的；
• 它允許重新使用現有的交換硬體（ATM、幀中繼等）：MPLS 報頭直接放置在 2 級報頭中，因此它們可以由現有的硬體處理，而現有的硬體現在透過升級其軟體來處理 2 級。

控制平面

控制平面是選擇要插入資料包的標籤的功能。

為特定 FEC 建立轉發表（從更廣泛的意義上講，建立 LSP）分三步完成

1. 標籤繫結：始終由下游節點執行，下游節點選擇 FEC 的標籤，並且可以透過兩種方式執行（不是相互排斥的）
   • 主動：下游節點可以隨時決定分配標籤，即使網路中沒有流量；
   • 按需：上游節點可以向下遊節點請求固定標籤；
2. 標籤分發：下游節點將選擇的標籤傳達給上游節點；
3. 標籤對映：上游節點透過將來自特定埠的具有特定標籤的傳入資料包繫結到從特定埠發出的具有特定標籤的傳出資料包，在其轉發表中建立一個新條目。

標籤可以透過兩種方式分配

• 靜態：網路管理員手動設定 LSP，就像連線導向型技術（如 ATM）中的永久虛擬電路 (PVC) 一樣→ 此解決方案不可擴充套件，並限制了不同服務提供商之間的互操作性；
• 動態：標籤繫結、分發和對映由 LSR 自動執行，無需手動干預
  • 資料驅動：LSP 的建立由接收資料包觸發，每個 LSR 根據流量自主選擇標籤；
  • 控制驅動：在某些時候，LSR 會分配標籤，即使沒有流量；
  • 拓撲驅動（或協議驅動）：只要發現新的目的地，就會向該目的地建立 LSP→ 沒有流量工程：網路的工作方式與 IP 網路完全相同；
  • 顯式：LPS 的建立通常由標籤邊緣路由器發起，無論是資料驅動的還是透過手動配置，都是透過顯式信令完成的。

協議

標籤分發協議

下游節點可以使用三種相互不相容的協議來將標籤繫結傳達給上游節點

• 標籤分發協議 (LDP)：專門為標籤分發而設計；
• 擴充套件的邊界閘道器協議 (BGP)：下游節點在 BGP 路由訊息中包含用於宣傳新目的地的一個新欄位，該欄位告訴上游節點選擇的標籤（僅適用於協議驅動的標籤繫結）；
• 擴充套件的資源預留協議 (RSVP)：下游節點在 RSVP 訊息中包含用於通知資料包流的服務質量的流量型別的欄位，該欄位告訴上游節點選擇的標籤： Computer network technologies and services/Quality of service.

路由協議

傳統的路由協議可以增強以支援流量工程，因為它們攜帶有關路由約束的資訊。

得益於諸如 OSPF-TE 和 IS-IS-TE（基於 OSPF、IS-IS、BGP-4）之類的路由協議，每個節點都可以收集有關網路拓撲的資訊，以瞭解哪些節點是其上游節點，需要向其通知標籤繫結。

有兩種可能的路由策略

• 逐跳（就像 IP 路由一樣）：分散式路由協議，其中每個 LSR 根據最短路徑標準自行決定，因此可能會發生所有路由器選擇相同的路徑→ 擁塞風險；
• 顯式（基於約束的路由的可能性）：集中式路由協議，其中將宣傳出口 LSR 以瞭解哪些鏈路目前負載最重，並選擇負載最輕的鏈路來建立新的 LSP，以便它們儘可能地與其他路徑分離。

為了支援顯式路由，應擴充套件基本分發標籤

• 基於約束的路由 LDP (CR-LDP) 是 LDP 的擴充套件；
• 用於流量工程的 RSVP (RSVP-TE) 是 RSVP 的擴充套件。