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MPLS-多协议标签技术

分类: 文章 • 2022-10-03 23:18:12

MPLS（Multi-Protocol Label Switching多协议标签交换）

  • ISP使用
  • 包交换：依赖报文中的IP地址进行数据转发
  • 标签交换：基于2.5层的标签号进行数据转发；
  • 无论网络层运行何种协议，2.5层均可运行标签交换；

解决问题：

  1. 解决BGP的路由黑洞问题
  2. MPLS v*n
  3. MPLS TE（流量工程）

包交换的技术

  1. 原始的路由：流量进入路由器后，路由器基于目标IP地址查询路由表，再基于目标ip或下一跳ip查询ARP来获取对端mac
  2. natflow：一次路由多次交换-----传统的路由；当流量进入路由器后查询完路由表及ARP后，生成cache；再之后相同IP间的互访仅基于cache查询；
  3. CEF（思科快速交换）：无需路由直接交换，将路由器表和ARP表转换为FIB（路由表）和ADJ（ARP）表，FIB和ADJ均为际二进制表，实使用时被结合，cisco私有
    FIB（转发信息数据库）：-----目标ip地址及出接口—解决递归
    ADJ（邻居表）：-----源目MAC

为什么使用MPLS的前提是设备基于CEF工作：

  1. 启动CEF后，表格可以被ASIC（硬件芯片）直接调用
  2. CEF解决了递归的问题，便于MPLS生成标签转发表格
  3. CEF工作后生成FIB表，只有FIB可以存储标签表；

控制层面和数据层面

  • 控制层面：交互路由信息；进行标签号的分发；
  • 数据层面：根据路由表转发用户数据报文；基于标签号进行数据转发；

控制层面：

通过IGP或EGP交互路由条目，生成路由表和FIB表；

MPLS使用TDP/LDP基于FIB表中的每一条信息(本地所有的路由条目)生成一个标签号，然后告知所有邻居；

该工作完成后路由器上生成：

  • 路由表
  • FIB表：转信息数据库
  • LIB表：标签信息数据库（本地和邻居关于所有学习到的路由条目生成的标签号）
  • LFIB表：标签转发信息数据库----将FIB表和LIB进行结合

数据层面：

普通的数据包将基于FIB表转发；若数据包中存在标签号基于LFIB进行转发；

MPLS的数据封装于2层和3层间，故称为2.5层

MPLS-多协议标签技术

MPLS的数据包格式

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前20位为标签号：存在2^20个号码，其中0-15号保留；

21-23位为8个优先级，用于QOS；

第24位为栈底位：为1标示本信息为最后一层标签信息；最多可以存在3层标签；

25-32位TTL：当标签号被压入时，将复制3层报头的TTL值，然后每经过一个路由器减1，当标签号弹出时，复制回IP报头中；

多层MPLS标签

MPLS-多协议标签技术
一层标签为普通MPLS，主要用于解决BGP的路由黑洞；

二层标签为MPLS v*n使用；

三层标签为MPLS TE使用；

使用MPLS后，二层若依然为以太网封装，那么类型号将变化：

  • 0x8847 MPLS 单播
  • 0x8848 MPLS 多播

名词注解

  1. MPLS domain：MPLS工作的范围
  2. LSR（P路由器）：标签交换路由器 查看数据包中的标签号然后基于LFIB表进行转发
  3. Edge LSR（PE路由器）：边界标签路由器；在数据层面时，MPLS 域的第一跳路由器负责标签的压入，最后一跳负载弹出；
  4. CE 客户端路由器，不工作于MPLS域，使用FIB表转发流量；

MPLS的工作过程

当控制层面使用路由协议传递路由条目后，路由器上使用TDP/LDP为FIB表中每一条存在的路由条目均分配一个标签号，装载于LIB表中，同时传递给邻居，LIB中还记录邻居传递到本地标签号；

之后路由器基于本地的FIB和LIB表生成LFIB（标签转发表）：标签号的最佳路径对应；

数据层面工作时，第一跳路由器负责标签的压入，中间路由器基于标签号转发流量，最后一跳路由器负责标签的弹出；

注：入标签号为本地分配的标号，出标签为下一跳（下游）分配的标签号；
存在上下游路由器概念，基于数据层面定义；

MPLS的优化

PHP次末跳弹出（默认执行）

PHP次末跳 ：倒数第二跳

最后一跳路由器在默认情况下需要查看LFIB表后再查看FIB表，然后转发数据；

PHP可以使倒数第二跳在已知出接口、下一跳等信息时便将标签号弹出，然后基于出接口转发流量，导致最后一跳路由器仅查看FIB表；

最后一跳路由器，将本地直连路由传递给邻居时使用标号3来告知对方为倒数第二跳；

非直连路由正常分配标签号；

MPLS-多协议标签技术

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注：pop标签仅弹出最上层标签:仅仅只是倒数第二跳；
untagged弹出所有标签：意味了离开MPLS domain；

配置

  1. 启动单播路由协议
  2. 开启CEF
  3. 开启MPLS（在标签号需要经过的所有接口上）
  4. 修改MTU值，链路两端一致；（可选，建议配置）
  • 普通MPLS：1504
  • MPLS v*n：1508
  • MPLS TE：1512
r1(config)#interface s1/1
r1(config-if)#mtu ?
  <64-17940> MTU size in bytes 修改接口MTU值

r2(config)#interface s1/1
r2(config-if)#mpls ip 开启某个接口的MPLS协议

MPLS封装

MPLS协议在工作时，存在两种封装：

  1. TDP cisco私有 TCP/UDP 711 hello包基于UDP传输，标签信息基于TCP传输
  2. LDP 公有 TCP/UDP 646 hello包基于UDP传输，标签信息基于TCP传输

Cisco ios 版本12.4（3）以下设备默认使用TDP，以上使用LDP；

r2(config)#mpls label protocol ? 修改封装协议
  ldp Use LDP
  tdp Use TDP (default)

协议开启后，邻居间使用hello包建立邻居关系，生成邻居表：

r2#show mpls ldp neighbor    存在RID，RID的选举规则同OSPF一致

注：RID同时作为了建立TCP会话的源目ip地址；
若存在环回，那么默认使用环回作为RID，此时就必须将环回宣告到路由协议中(必须可达)；

r2(config)#mpls ldp router-id serial 1/1 ? 修改RID为S1/1口的地址
  force Forcibly change the LDP router id 立即生效
  <cr> 重启设备后生效

当邻居关系建立后，邻居间会将基于FIB表生成的标签号传递给邻居，保存于LIB表中：

r2#show ip cef detail 查看FIB表
r2#show mpls ldp bindings 查看LIB表

之后将LIB表和FIB表进行结合，生成LFIB表，基于该表格进行标签流量转发；

r2#show mpls forwarding-table

解决BGP的路由黑洞问题：

MPLS将为FIB表中的路由条目分配标签号；
但通过BGP学习的条目不分配；
而是在访问BGP目标时，压入到达下一跳地址的标签号，来通过中间未运行BGP协议的网络到达下一跳处；

MPLS v*n：

  • v*n：虚拟专用网络
  • MPLS v*n：ISP配置，客户端透明；通过公网来传递私网路由和信息；

  1. CE端和PE端传递路由

  2. 如何区分不同CE端相同的路由条目：依赖RD值
    RD：路由区分器，一个64位的16进制数，
    格式：X:X ，一个CE端一个RD值对应一个接口

  3. ISP路由器不能将CE端的路由条目装载到本地普通路由表中，存储于VRF空间内
    VRF：虚拟路由转发 基于每个RD和接口一个空间

  4. VRF空间内的路由不是普通的路由条目，必须使用MP-BGP路由协议来传递
    普通的路由协议负责传递公网路由表中条目
    VRF内的路由被称为 v*nV4路由==IPV4路由+RD值+RT值*

  5. RT值，用于区分不同目标接收者；RT值和RD值的编写格式一致；
    RD值仅仅是一个参数，
    RT值是BGP的一种社团属性；

  6. 使用MPLS可以解决BGP的路由黑洞问题；
    CE1端将流量传递给PE1端口，PE1通过查看该CE1所绑定的VRF空间内路由条目将流量转发到PE2，PE2直连CE2，
    但PE2可能同时连接其他CE端，那么将出现无法定义该查看那张VRF空间路由表；
    故PE1在将流量传递给PE2时，封装两层标签，外标签用于穿越P路由器；内层标签用于告知PE2所查询的VRP表格；

配置：

1. ISP的部分

2. 单播路由表

3. CEF

4. MPLS

建议同时修改MTU

5. VRF配置

定义VRF空间，同时关联所连接的CE端接口，再同时定义RD/RT值

r2(config)#ip vrf xian 创建空间，名为xian
r2(config-vrf)#rd 1:1 RD值
r2(config-vrf)#route-target 1:1 RT值
r2(config-vrf)#exit
r2(config)#interface s1/0 进入关联接口
r2(config-if)#no ip address 默认该接口ip地址所在直连路由处于普通路由表中，现需转移到
                       VRF空间内，故先将地址清洗
r2(config-if)#ip vrf forwarding xian 关联空间
r2(config-if)#ip address 12.1.1.2 255.255.255.0 重新定义地址
注：此时普通路由表中将不再存在该接口的直连路由，而是装载到了绑定的VRF空间内
r2#show ip route vrf xian
默认ping时，使用普通路由表，若需要基于VRF空间内的条目通讯
r2# ping vrf xian 12.1.1.1

6. MP-BGP

在两个PE端配置

r2(config)#router bgp 1 
r2(config-router)#b router-id 2.2.2.2
r2(config-router)#neighbor 4.4.4.4 remote-as 1
r2(config-router)#neighbor 4.4.4.4 update-source loopback 0 先建立IPV4邻居关系  
r2(config-router)#address-family v*nv4 进入MP-BGP家族模式
r2(config-router-af)#neighbor 4.4.4.4 activate 建立MP-BGP邻居关系
r2(config-router-af)#neighbor 4.4.4.4 send-community 必须开启社团属性的传递性；

7. CE端将私网路由传递到PE端

静态

CE端，正常配置静态路由皆可
PE端配置到CE私网的静态路由，必须配置到VRF空间内

r2(config)#ip route vrf xian 192.168.1.0 255.255.255.0 serial 1/0 12.1.1.1

出接口下一跳必须同时编写

r2(config)#router bgp 1 
r2(config-router)#address-family ipv4 vrf xian 将该空间的静态、直连路由重发布到BGP中
r2(config-router-af)#redistribute static 
r2(config-router-af)#redistribute connected 

r2#show ip bgp v*nv4 vrf xian
BGP table version is 9, local router ID is 2.2.2.2
Status codes: s suppressed, d damped, h history, * valid, > best, i - internal,
              r RIB-failure, S Stale
Origin codes: i - IGP, e - EGP, ? - incomplete


   Network Next Hop Metric LocPrf Weight Path
Route Distinguisher: 1:1 (default for vrf xian)
*> 12.1.1.0/24 0.0.0.0 0 32768 ?
*>i45.1.1.0/24 4.4.4.4 0 100 0 ?
*> 192.168.1.0 12.1.1.1 0 32768 ?
*>i192.168.2.0 4.4.4.4 0 100 0 ?
RIP

CE端正常启动和宣告RIP协议即可
PE端配置：启动后进行双向重发布即可

r2(config)#router rip
r2(config-router)#version 2
r2(config-router)#no auto-summary 
r2(config-router)#address-family ipv4 vrf xian
r2(config-router-af)#network 12.0.0.0
r2(config-router-af)#redistribute bgp 1 metric 1
r2(config)#router bgp 1
r2(config-router)#address-family ipv4 vrf xian
r2(config-router-af)#redistribute rip
EIGRP

CE端正常启动和宣告即可
PE端配置：启动后进行双向重发布即可

r4(config)#router eigrp 1 启动时必须配置该设备所在真实的AS号
r4(config-router)#no auto-summary 
r4(config-router)#address-family ipv4 vrf beijin
r4(config-router-af)#autonomous-system 90 申明邻居使用的AS号
r4(config-router-af)#network 45.0.0.0
r4(config-router-af)#redistribute bgp 1 metric 1544 100 255 1 1500

r4(config)#router bgp 1 
r4(config-router)#address-family ipv4 vrf beijin
r4(config-router-af)#redistribute eigrp 90 重发布时，使用私有的AS号
OSPF

CE端正常配置即可
PE端配置

r2(config)#router ospf 1 vrf xian
r2(config-router)#router-id 2.2.2.2
r2(config-router)#network 12.1.1.2 0.0.0.0 a 0
r2(config-router)#redistribute bgp 1 subnets 

r2(config)#router bgp 1 
r2(config-router)#address-family ipv4 vrf xian
r2(config-router-af)#redistribute ospf 1

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