MPLS, RSVP, etc 

Olof Hagsand KTHNOC/NADA

DD2490 p4 2008

Literature

● JunOS Cookbook: Chapter 14

Background● MPLS ­ Multiprotocol Label Switching● Originally thought to simplify IP forwarding

– Small label lookup instead of longest prefix match

● Roots in ATM (Asynchronous Transfer Mode)– Early 90s, most telecoms thought ATM would take over all data­ 

and tele­communication

● MPLS was standardized in IETF in mid 90s.

MPLS Advantages

Originally, the motivation was speed and cost. 

But routers does IP lookup in hardware at very high speeds.

Current advantages:● Label switching can be used for traffic engineering

– Aggregating a class of traffic and treating it in a specific way

– Control of traffic in a network

● Labels can be used to forward using other fields than destination address● Label switching can be used to support VPNs – virtual private networks● The generalized form of MPLS: GMPLS is ideal for optical network management

MPLS Terminology

MPLS uses some new terminology (MPLS ~ IP)● LSR: Label Switching Router  ~ Router

● LER: Label Edge Router ~ Border router– Alternative: PE ­ Provider Edge / CE – Customer Edge

– Also: Egress/Ingress/Transit LSR

● LSP: Label Switched Path ~ Tunnel● FEC: Forwarding Equivalence Class ~ Flow● Label distribution ~ Routing● LFIB: Label Forwarding Information Base ~ FIB

Control and Data Planes

Control Plane(Binding Layer)

Data Plane(Forwarding Layer)

LFIB

LSR

MPLSpacket

MPLSpacket

Control Plane(Routing Layer)

Data Plane(Forwarding Layer)

FIB

Router

IPpacket

IPpacket

Routing:OSPFIS­ISBGP

LabelDistribution:LDPRSVP­TEMBGP

Routing:OSPFIS­ISBGP

LabelDistribution:LDPRSVP­TEMBGP

Labels● A label is an integer identifying a FEC (or a flow).● You cannot have globally or network­ unique labels

– Too complex to negotiate

– Too large labels

● Labels are unique only between two nodes● Labels 0­1048575. 

– 0­15 reserved by the IETF.

● Labels change at each node as a packet traverses a path● You can set labels manually(worse than static routing), or use label 

distribution● Example of Label Forwarding Information Base LFIB (MPLS forwarding 

table):

20-bit label

In­Interface  in­label  op  out­label   out­interface

if 3     99  swap 203      if1if 3     333  swap 978  if2

Encapsulation

● MPLS uses a 32­bit shim header:– Label: value for table lookup in router 

– TTL: Time To Live (resembles IP TTL)

– Exp: experimental, several ways to support QoS has been defined

– Stack: indicates that the bottom of a stack of labels has been reached

● Shim headers may be concatenated into stacks

Label hdrEth hdr IP hdr IP payload

20-bit label8­bitTTL

1­bitstack

3­bitexp

Forwarding Equivalence Class (FEC)

Sort packets into different classes – classify them.Example1: All packets to one destination.

Example2: All UDP packets with the ToS field set to 0x42 from sub­network 192.168.20.0/24

Such a subset is called a Forwarding Equivalence Class

MPLS binds labels to different FECs – Labelling

FECs granularityCoarse – good for scalability

Fine – good for expressibility

FEC label

FEC1 99FEC2 2345... ...

Label assignment

● The border router (LER) classifies packets into FECs– Classification is a more general form of lookup

● Binds a label to the packet– Or to an LSP, which in turn is mapped to a label

● Pushes an MPLS header on the packet● And sends it on

pkt 99 pkt LSP

LER

FEC op  out­label interface

F1 push 99 if1F2 push 300 if2

if1

Label swapping

● A router (LSR) makes a label lookup and swaps the labels● Rewrites the MPLS header● And sends it further on the LSP

99 pktLSPLSP

203 pkt

In­Interface  in­label  op  out­label   out­interface

if 3     99  swap 203      if1if 3     333  swap 978  if2

if1if3

Label popping

● The border router (LER) pops the MPLS packet● And then forwards it as usual depending on the packets protocol● Example: pkt is an IP packet ­­> pkt is sent to IP forwarding

– Thus both MPLS and IP forwarding on same node!

pktLSP

LER

203 pkt

In­Interface  in­label  op  out­label   out­interface

if 3     203  pop (IP lookup)   if 3     333  swap 978  if2

if1if3

Pen­ultimate popping

● To make it easier for the border router, pop the label on the previous router (pen­ultimate)

● The pen­ultimate LSR does MPLS pop● The LER does only IP routing

pktLSP

Pen­ultimateLSR

203 pkt

LER

MPLS pop IP routing 

if1if3

In­Interface  in­label  op  out­label   out­interface

if 3     203  pop ­  if1   if 3     333  swap 978  if2

Label Switched Path – LSP 

LSP

IP pkt33IP pkt

98IP pkt

17IP pkt

58IP pkt

IP pkt

Label hdrEth hdr IP hdr IP payload

Push label

Pop label

Swap label

20-bit label 3-bitexp

1-bitstack

8-bitTTL

An LSP is an abstraction of a set of labels – an MPLS tunnel

Label Stacking

● Used when packet forwarded through transit routing domain● An inner label is transferred through the domain● Push outer label onto stack at ingress LSR, ● swap outer label in domain● pop outer label at egress LSR

inner=3IP pkt

inner=5IP pkt

inner=3IP pkt outer=6

outer=6inner=5IP pkt

inner=3IP pkt outer=7

outer=7inner=5IP pkt

inner=3IP pkt

inner=5IP pkt

Transit Routing Domain

Typical use: MPLS for transit

● Use an IGP to compute internal routes● Setup LSPs between BGP border routers

● Send transit traffic through LSPs!● We do not need to distribute external routes in our IGP● BGP­free core (No need for IBGP)

MPLS+IGP

BGP

BGP

BGP

Label operations

● Label operations are interface­specific● Push a label (typically at ingress)

– Double push (label stacking)

● Swap a label (typically at transit or pen­ultimate)● Pop a label (typically at egress or pen­ultimate)

Special labels operations

● 0: IPv4 explicit NULL 

– Pop unconditionally when packet is received 

– Popped packet is an IPv4 datagram

● 1: Router alert

– Deliver to control plane – do not forward

● 2: IPv6 explicit­NULL

– Pop unconditionally when packet is received 

– Popped packet is an IPv6 datagram 

● 3: Implicit­NULL

– Downstream router should pop

– does not appear on link – only in signaling protocol

Label Distribution ● Labels need to be assigned● And LFIBs programmed● A signaling protocol distributes labels

– Creates an LSP through an MPLS network

● New protocol– LDP – Label Distribution Protocol

● Extend existing protocols– BGP – Border Gateway Protocol

– RSVP – Resource Reservation Protocol● These protocols all distributes labels

– But they are somewhat different and can be combined to transfer different labels, eg BGP+RSVP

Label distribution and IGP

● Label distribution protocols typically rely on an IGP (eg OSPF) to find the shortest path of their LSP.– Although RSVP may use source­routing as well

● They then assign labels to the LSP on the shortest path.● Labels are assigned in upstream direction normally ● During setup of LSPs, traffic may be black­holed

– IGP and label distribution

– Same is true during reconvergence

Resource Reservation Protocol

● RSVP is a network control protocol used to express quality of service (QoS).– Binds a QoS request to a flow

● RSVP is a receiver oriented protocol.● RSVP delivers QoS reservations along a path from source to 

destination(s).– no routing – IGP computes path

– uses soft state – periodically refresh● With MPLS, RSVP­TE is used for traffic engineering

– To guarantee a quality for a FEC

– Aggregated flows

– Extended to carry MPLS labels

RSVP Building Blocks

RSVP carries the following information:● Classification information

– Flows with QoS requirements must be recognized within the network

– Includes src and dst IP addr and UDP/TCP port numbers● Or MPLS labels

● Traffic specification (TSpecs)● QoS requirements (FlowSpecs)

RSVP is explicitly designed to support multicastbut MPLS is not,...

RSVP Model

Two types of messages to set up reservations:● PATH message

– From a sender to one or several receivers, carrying TSpec and classification information provided by sender

● RESV message– From receiver, carrying FlowSpec indicating QoS required by receiver

Sender

Receiver

Receiver

PATH msg (TSpec)

RESV msg (FlowSpec)

RSVP and Router Operation

● At each router, RSVP applies admission control

● If the router cannot reserve resources the traffic an error message is returned.

● PATH messages flowing downstreams indicate how the traffic will flow.

● RESV messages flowing upstreams negotiate the actual reservation

– And MPLS labels

MPLS Support for RSVP

● RSVP has been successfully adapted to support MPLS● New objects defined carrying labels● RSVP can express QoS (Tspec, FlowSpec) 

– Each LSR associates QoS resources with an LSP

– The ingress router needs to classify and bind traffic to an LSP 

– Network resources are then bound to that LSP throughout the network. 

Ingess EgressPATH

RESVRESV lbl=5RESV lbl=9

Objects in PATH messages

● Label Request Object– Request an MPLS label for a path

● Explicit Route Object (ERO)– Addresses through which the LSP must pass.

– Used for source routing

● Record Route Object (RRO)– Record the path of the PATH message

● Sender Traffic Specification (Tspec)– A specification of the traffic of this LSP 

– Eg: 2Mbps

Objects in RESV messages

● Label Object– Contains a label that was requested

– Labels are thus allocated upstreams

● Record Route Object (RRO)– Record the path pf the RESV message

● Flow Specification (Flowspec)– What was actually reserved

Traffic engineering with RSVP­TE/MPLS● RSVP can reserve resources in the network (eg 20Mbps)● RSVP can signal alternative paths using 

– Strict source routing

– Loose source routing

● Why? Traffic distribution, alternate paths– Difficult to do with regular routing protocols.

● Example:– LSP loose source routing: via D (Typically node addresses!)

– LSP strict source routing: B1,C,D,E (Typically interface addresses!)

A

B D

E

C

B1

C1

D1 E1

Fast reroute and BFD

● With alternative paths already computed, switchover can be fast● No need to recompute a new best path● Link failures can be detected in many ways

– Loss of signal

– RSVP Path/Resv loss

– BFD – Bidirectional Forwarding Detection

● BFD can detect link failures in ~100ms– Based on a simple ”ping” method

– Is also used for other protocols: OSPF, BGP, etc

● But it is complex to admin several alternate paths in a large network

IP network

L3VPN

netw 1

netw 1

Customer A

Customer B

MPLS LSPs

netw 3

netw 3

Customer A

Customer B

netw 2

Customer A

netw 2

Customer B

Routing between LAN islandsCE/PEs exchange routing

PE PE

PE

   

Lab: Static MPLS

● Gives a basic understanding of MPLS label swapping● No signaling – manually assign labels – like static routing● Understand configuration, forwarding tables, and debugging of 

MPLS

LSP­RTX1­RTX4 LSP­RTX4­RTX1

LSP­RTX2­RTX3 LSP­RTX3­RTX2