MPLS（Multiprotocol Label Switching，多协议标签交换）概述

小乔

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(出处: 鸿鹄论坛)


MPLS概述
1.MPLS产生背景
MPLS（Multiprotocol Label Switching，多协议标签交换）起源于IPv4，最初是为了提高转发速度而提出的，其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6、IPX（Internet Packet Exchange，网际报文交换）和CLNP（Connectionless Network Protocol，无连接网络协议）等。MPLS中的“M”指的就是支持多种网络层协议。它吸收了ATM的VPI/VCI交换思想，无缝地集成了IP路由技术的灵活性和二层交换的简捷性。IGP、BGP等路由协议负责收集路由信息，MPLS利用路由信息建立虚连接——基于标签的转发路径，在面向无连接的IP网络中增加了面向连接的属性，从而为IP网络提供一定的QoS保证，满足不同类型服务对QoS的要求。
2.MPLS的技术优势
①利用短而定长的标签来封装网络层分组。MPLS网络中的路由器不再根据目的IP地址遵循查找路由（最长匹配），而是根据标签转发分组（精确匹配），加快了转发速度。早期的硬件技术只能实现精确匹配。
②分组转发路径上的各个节点通过分配标签，建立分组转发的虚拟通道，从而为网络层提供面向连接的服务。
③支持各种链路层协议和网络层协议。MPLS位于链路层和网络层之间，它可以建立在各种链路层协议（如PPP、ATM、帧中继、以太网等）之上，为各种网络层（IPv4、IPv6、IPX等）提供面向连接的服务。
④不仅支持各种路由协议，还支持基于策略的约束路由，可以满足各种新应用对网络的要求。
⑤应用广泛。MPLS最初是为提高路由器的转发速度而提出的一个协议，但是它的用途不仅仅局限于此，MPLS还可以用来构建VPN网络、实现流量工程、提供QoS保证等，受到大规模IP网络的青睐。
3.MPLS与路由协议
LDP通过逐跳方式建立LSP时，利用沿途各LSR路由转发表中的信息来确定下一跳，而路由转发表中的信息一般是通过IGP、BGP等路由协议收集的。LDP并不直接和各种路由协议关联，只是间接使用路由信息。另一方面，通过对BGP、RSVP等已有协议进行扩展，也可以支持标签的分发。
在MPLS的应用中，也可能需要对某些路由协议进行扩展。例如，基于MPLS的VPN应用需要对BGP进行扩展，使BGP能够传播VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）的路由信息；基于MPLS的TE（Traffic Engineering，流量工程）需要对OSPF或IS-IS协议进行扩展，以携带链路状态信息。
4.MPLS MTU
MPLS标签栈像“垫层”一样，位于二层数据帧头和三层IP头部之间。在MPLS转发过程中，虽然网络层报文长度小于接口的MTU，但是增加MPLS标签后，报文长度可能超过链路层允许发送的范围，从而导致报文无法正常转发。为此，设备上定义了MPLS MTU，MPLS转发时将增加标签后的报文长度与MPLS MTU比较。报文长度大于MPLS MTU时，如果允许分片，则将报文分片后再进行转发；如果不允许分片，则直接丢弃。这个MPLS MTU只对MPLS分组生效。
5.MPLS基本概念
①转发等价类
MPLS作为一种分类转发技术，将具有相同转发处理方式的分组归为一类，称为FEC（Forwarding Equivalence Class，转发等价类）。相同FEC的分组在MPLS网络中将获得完全相同的处理。
FEC的划分方式非常灵活，可以是以源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型、服务等级或VPN等为划分依据的任意组合。例如，在传统的采用最长匹配算法的纯IP网络中，到同一个目的网络的所有报文就是一个FEC。
②标签
a)标签的格式
标签是一个长度固定，仅具有本地意义的短标识符，用于唯一标识一个分组所属的FEC。一个标签只能代表一个FEC。
标签长度为4个字节，其结构如下图所示。标签共有4个域：

                               
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- Label：20bits，标签值字段。是标签转发表的关键索引，用来标识一个FEC。
- Exp：3bits，保留，协议中没有明确规定，通常用作CoS。
- S：1bit，栈底指示符。MPLS支持多重标签。值为1时表示为最底层标签。
- TTL：8bits，和IP分组中的TTL意义相同，可以用来限制环路。这个值从IP报文头TTL域拷贝过来，没进行一次Lable交换时，外层Lable的TTL值就会减去“1”。
b)标签的位置
如果链路层协议具有标签域，如ATM的VPI/VCI，则标签封装在这些域中；否则，标签封装在链路层头部和网络层头部之间的一个垫层中。这样，任意链路层都能够支持标签。标签在分组中的封装位置如下图所示：

③标签交换路由器
LSR（Label Switching Router，标签交换路由器）是MPLS网络中的基本元素，所有LSR都必须支持MPLS技术。由LSR构成的网络称为MPLS域。
④标签边缘路由器（LER）
位于MPLS域边缘、连接其他网络的LSR称为LER（Label Edge Router，边缘LSR）。
⑤标签交换路径
一个转发等价类在MPLS网络中经过的路径称为LSP（Label Switched Path，标签交换路径）。在一条LSP上，沿数据传送的方向，相邻的LSR分别称为上游LSR和下游LSR。LSP在功能上与ATM和帧中继（Frame Relay）的虚电路相同，是从MPLS网络的入口到出口的一个单向路径。LSP中的每个节点由LSR组成。
⑥标签分发协议
LDP（Label Distribution Protocol，标签分发协议）是MPLS的控制协议，它相当于传统网络中的信令协议，负责FEC的分类、标签的分配以及LSP的建立和维护等一系列操作。
MPLS可以使用多种标签分发协议，包括专为标签发布而制定的协议，例如：LDP、TDP、CR-LDP（Constraint-Based Routing using LDP，基于约束路由的LDP）；也包括现有协议扩展后支持标签发布的，例如：BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）、RSVP（Resource Reservation Protocol，资源预留协议）。同时，还可以手工配置静态LSP。
⑦LSP的嵌套

MPLS通过在分组中插入多层标签（即标签栈，Label Stack）实现LSP的嵌套。标签栈按照“后进先出（Last-In-First-Out）”方式组织标签，MPLS从栈顶开始处理标签。每一条LSP隧道的入口和出口处，分别进行标签的压入（PUSH）和弹出（POP）操作。如图，R1为分组压入第一层标签，R2为分组压入第二层标签；R3弹出分组中的第二层标签，R4弹出分组的第一层标签；在LSP 2上根据第二层标签转发分组，在LSP 1上根据第一层标签转发分组。
如果隧道经由的路由与逐跳从路由协议中取得的路由一致，这种隧道就称为逐跳路由隧道（Hop-by-Hop Routed Tunnel）；否则称为显式路由隧道（Explicitly Routed Tunnel）。
MPLS对标签栈的深度没有限制。若一个分组的标签栈深度为m，则位于栈底的标签为第1层标签，位于栈顶的标签为第m层标签。若一个分组的标签栈深度为零，则表示该分组未压入标签。

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matt6116

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