什麼是MPLS

From:http://eservice.seed.net.tw/class/class0801c.html 多重通訊協定標籤交換傳輸(Multi-Protocol Label Switching)是由IETF 所發展出來的Network Standard。它是實現寬頻網際網路最熱門的技術；其目的是要提供一個更具彈性、擴充性及效率更高的IP層交換技術。 MPLS 是一種整合了標籤交換架構與網路層的路由機制的技術，最基本的概念是將進入MPLS Network 的封包(Packet)配置一個固定長度的標籤(Label)，在MPLS Network中Packet會根據標籤(Label) 做Forwarding , 由Label來決定Packet在網路上的路徑，不會再看 Layer 3的 IP Header(標頭)。

傳統IP Network 的運作方式 Packet在一般的IP Network傳遞時，路由器的運作是以所謂的"Store and Forward"的程序來做Packet路由的選擇及轉送，所以當路由器收到一個Packet時，會先儲存Packet 、分析路由、轉送Packet 到下一個適當的路由器，而當此路由器又收到下一個Packet 要傳送到相同的目的地時，它必須重覆執行相同的程序(儲存、分析、轉送)，這樣是很沒有效率的而且會耗用路由器大量的CPU處理能力及記憶體空間，此外傳統的路由器是以軟體的處理方式轉送IP 封包，而MPLS的技術則是引用與ATM交換技術類似的標籤交換(Label Switching)技術，簡化了路由器的轉送功能直接利用Switching Fabric以線上速度(Line Speed)來轉送封包(Packet)到達目的地。

MPLS Label 的Format及插入Packet的位置 Label是一個4Bytes、固定長度、locally-significant identifier類似在ATM網路中VPI(Virtual Path Identifier)/VCI(Virtual Circuit Identifier)或是Frame-Relay網路中的DLCI(Data Link Circuit Identifier)，Label是被插入於Packet的第二層資料鏈結層(data link layer)與第三層網路層(network layer)Header之間。

MPLS Network 的組成 MPLS 網路是由多個具有標籤交換能力的路由器LSR(Label Switch Router)互相連結所組成，根據在MPLS網路內扮演角色的不同LSR可以分為三種類型： (1) Ingress LSR：負責將進入MPLS網路的IP Packet貼上標籤(Push Label) (2) Core LSR：LSR則位於MPLS網路的核心，負責做標籤轉換(Label Swap) (3) Egress LSR：當封包要離開MPLS網路到一般IP網路時，負責去除標籤( Pop Label)。

Label Assignment and Distribution的過程 LSR Routing Table的建立：在MPLS網路中所有的LSR利用routing protocol來交換路由資訊，建立自己的IP Routing Table，並根據Routing Table 建立自己的FIB(Forwarding Information Base)，此時的FIB中並沒有Label的資訊。 LSR Allocating Label過程： 當LSR路由器開始啟動MPLS功能時,會根據由IGP(如RIP、OSPF)學來的路由表(Routing Table)內容，對於使用相同處理方式、相同path、到達相同目的地IP subnet的Routing entry 做彙整(aggregation)及分類後Assign Label。 LSR 初步建立自己的LIB及LFIB：將前面步驟Allocating 的local Label資訊儲存於LIB(Label Information Base)和LFIB(Label Forwarding Information Base)中，此時的LFIB中只有local Label 的資訊並沒有outgoing Label 的資訊。 LSR Label Distribution過程：LSR將他Local assign的Label資訊傳送(Distribution)給相鄰的LSR，不論這相鄰的LSR是local LSR的downstream或upstream 都會傳送，而Label Distribution 靠的是相鄰的LSR間要執行LDP(Label Distribution Protocol)的協定，來互相交換彼此的Label資訊。另外談到LDP 的特性，MPLS Device 會send/receive LDP，LDP 透過Discovery 去和Neighbor溝通對方是否有啟動MPLS及交換Label information，而LDP是用UDP protocol去discovery neighbor,並利用 TCP 去去交換彼此Label information。 LSR收到相鄰LSR送來的Lable資訊做資訊的彙整過程：最後每個LSR 根據接收到相鄰LSR送來的Label 資訊後，新增這些Label資訊於自己的LIB中，並根據routing table得到的最佳路徑，獲知到某網段的Next-hop LSR 所送來的Label資訊，插入到LFIB的outgoing Label資料結構中。

Packet在MPLS網路中傳送的過程 Ingress LSR(Router A)：IP Packet 進入MPLS網路的第一顆LSR路由器稱為Ingress LSR，當IP Packet 進入Ingress LSR 首先會查看Packet中的Destination IP address，並且在FIB中lookup 是否有符合的IP network ，如果有則進一步查看FIB中相對應的Label欄位其值為何？(例如：IP =X ，Label=25 )，當Packet從Ingress LSR 送出時，會在此Packet中打上Label=25的標示，再傳送出去。 Core LSR (Router B)：當帶有Label=25的Packet傳到Router B時，Router B會查看(lookup)他的LFIB的資料，看看是否有Inbound Label=25的entry，如果有則再查看此entry中Outgoing Label的欄位值為何？(例如 Outgoing Label=47)，所以Packet中的Label快速的被置換(Label=25 aLabel=47)並往下一個節點傳送出去。 Egress LSR(Router C)：當帶有Label=47的Packet傳到Router C時，Router C會查看(lookup)他的LFIB的資料，看看是否有Inbound Label=47的entry，如果有則再查看此entry中Outgoing Label的欄位值為何？(例如 Outgoing Label=Pop)，所以Packet中的Label被移除，此時已離開MPLS網路再進入到IP的網路中，因此重新查看Packet中的Destination IP address為何？並查看其FIB以決定Packet要傳送的下一個節點 。

在MPLS網路中Egress LSR double lookup的問題 由於Egress LSR不但要查看LFIB中的資料以便移除Packet 中的Label，而且還要查看FIB中的資料以決定將Packet往IP網路的下一個節點傳送，這樣的作法會使Egress LSR 的負擔太重，而且對傳送有Label的封包也不是最有效的方式。

Penultimate Hop Popping 所以解決的方式就是在原來Egress LSR前一個節點就把Label移除，最後一顆Router 只要做IP lookup 就好了，此種運作方式稱為Penultimate Hop Popping。

結語 本篇文章從一開始介紹傳統路由器在IP 路由傳送封包的運作缺點及描述發展MPLS技術的優勢，並且說明整個MPLS 技術的運作原理，從MPLS Label的format介紹及Label在封包標頭位置的解說，到整個MPLS網路中各個不同角色LSR的運作方式，在其中更詳細的探討Label 如何被Assignment及 相鄰LSR之間如何交換彼此的Label Information的過程，另外更舉例說明封包在MPLS網路中從Push(加上)Label，一直到離開MPLS網路前Pop(去除)Label的詳細過程，最後則探討為何封包在離開MPLS網路的前一個節點(Hop)就要先Pop(去除)Label的原因。