MPLS基础简介
介绍MPLS的定义、由来和作用。
定义
多协议标签交换MPLS（Multiprotocol Label Switching）是一种IP（Internet Protocol）骨干网技术。MPLS在无连接的IP网络上引入面向连接的标签交换概念，将第三层路由技术和第二层交换技术相结合，充分发挥了IP路由的灵活性和二层交换的简捷性。
MPLS起源于IPv4（Internet Protocol version 4），其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6（Internet Protocol version 6）、IPX（Internet Packet Exchange）和CLNP（Connectionless Network Protocol）等。MPLS中的“Multiprotocol”指的就是支持多种网络协议。
由此可见，MPLS并不是一种业务或者应用，它实际上是一种隧道技术。这种技术不仅支持多种高层协议与业务，而且在一定程度上可以保证信息传输的安全性。
目的
90年代中期，随着IP技术的快速发展，Internet数据海量增长。但由于硬件技术存在限制，基于最长匹配算法的IP技术必须使用软件查找路由，转发性能低下，因此IP技术的转发性能成为当时限制网络发展的瓶颈。
为了适应网络的发展，ATM（Asynchronous Transfer Mode）技术应运而生。ATM采用定长标签，并且只需要维护比路由表规模小得多的标签表，能够提供比IP路由方式高得多的转发性能。然而，ATM协议相对复杂，且ATM网络部署成本高，这使得ATM技术很难普及。
传统的IP技术简单，且部署成本低。如何结合IP与ATM的优点成为当时热门话题。多协议标签交换技术MPLS就是在这种背景下产生的。
MPLS最初是为了提高路由器的转发速度而提出的。与传统IP路由方式相比，它在数据转发时，只在网络边缘分析IP报文头，而不用在每一跳都分析IP报文头，节约了处理时间。
随着专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）技术的发展，路由查找速度已经不是阻碍网络发展的瓶颈。这使得MPLS在提高转发速度方面不再具备明显的优势。但是MPLS支持多层标签和转发平面面向连接的特性，使其在VPN（Virtual Private Network）、流量工程、QoS（Quality of Service）等方面得到广泛应用。
MPLS基本结构网络结构MPLS网络的典型结构如图1-1所示。MPLS基于标签进行转发，图1-1中进行MPLS标签交换和报文转发的网络设备称为标签交换路由器LSR（Label Switching Router）；由LSR构成的网络区域称为MPLS域（MPLS Domain）。位于MPLS域边缘、连接其他网络的LSR称为边缘路由器LER（Label Edge Router），区域内部的LSR称为核心LSR（Core LSR）。 图1-1 MPLS网络结构
IP报文进入MPLS网络时，MPLS入口的LER分析IP报文的内容并且为这些IP报文添加合适的标签，所有MPLS网络中的LSR根据标签转发数据。当该IP报文离开MPLS网络时，标签由出口LER弹出。 IP报文在MPLS网络中经过的路径称为标签交换路径LSP（Label Switched Path）。LSP是一个单向路径，与数据流的方向一致。 如图1-1，LSP的入口LER称为入节点（Ingress）；位于LSP中间的LSR称为中间节点（Transit）；LSP的出口LER称为出节点（Egress）。一条LSP可以有0个、1个或多个中间节点，但有且只有一个入节点和一个出节点。 根据LSP的方向，MPLS报文由Ingress发往Egress，则Ingress是Transit的上游节点，Transit是Ingress的下游节点。同理，Transit是Egress上游节点，Egress是Transit的下游节点。
体系结构MPLS的体系结构如图1-2所示，它由控制平面（Control Plane）和转发平面（Forwarding Plane）组成。 图1-2 MPLS体系结构
控制平面：负责产生和维护路由信息以及标签信息。
路由信息表RIB（Routing Information Base）：由IP路由协议（IP Routing Protocol）生成，用于选择路由。 标签分发协议LDP（Label Distribution Protocol）：负责标签的分配、标签转发信息表的建立、标签交换路径的建立、拆除等工作。 标签信息表LIB（Label Information Base）：由标签分发协议生成，用于管理标签信息。
转发平面：即数据平面（Data Plane），负责普通IP报文的转发以及带MPLS标签报文的转发。
- MPLS标签转发等价类
MPLS将具有相同特征的报文归为一类，称为转发等价类FEC（Forwarding Equivalence Class）。属于相同FEC的报文在转发过程中被LSR以相同方式处理。 FEC可以根据源地址、目的地址、源端口、目的端口、VPN等要素进行划分。例如，在传统的采用最长匹配算法的IP转发中，到同一条路由的所有报文就是一个转发等价类。
标签标签（Label）是一个短而定长的、只具有本地意义的标识符，用于唯一标识一个分组所属的FEC。在某些情况下，例如要进行负载分担，对应一个FEC可能会有多个入标签，但是一台设备上，一个标签只能代表一个FEC。 MPLS报文与普通的IP报文相比增加了MPLS标签信息，MPLS标签的长度为4个字节。MPLS标签封装在链路层和网络层之间，可以支持任意的链路层协议。MPLS标签的封装结构如图1-3所示。 图1-3 MPLS标签封装结构
标签共有4个字段：
Label：20bit，标签值域。 Exp：3bit，用于扩展。现在通常用做CoS（Class of Service），当设备阻塞时，优先发送优先级高的报文。 S：1bit，栈底标识。MPLS支持多层标签，即标签嵌套。S值为1时表明为最底层标签。 TTL：8bit，和IP报文中的TTL（Time To Live）意义相同。
标签栈（Label Stack）是指标签的排序集合。如图1-4所示，靠近二层首部的标签称为栈顶MPLS标签或外层MPLS标签（Outer MPLS label）；靠近IP首部的标签称为栈底MPLS标签或内层MPLS标签（Inner MPLS label）。理论上，MPLS标签可以无限嵌套。目前MPLS标签嵌套主要应用在MPLS VPN、TE FRR（Traffic Engineering Fast ReRoute）中。 图1-4 标签栈
标签栈按后进先出方式组织标签，从栈顶开始处理标签。
标签空间标签空间就是指标签的取值范围。标签空间划分如下： 0～15：特殊标签。特殊标签的详细介绍请参见表1-1。 16～1023：静态LSP和静态CR-LSP（Constraint-based Routed Label Switched Path）共享的标签空间。 1024及以上：LDP、RSVP-TE（Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering）、MP-BGP（MultiProtocol Border Gateway Protocol）等动态信令协议的标签空间。
LSP的建立MPLS需要为报文事先分配好标签，建立一条LSP，才能进行报文转发。LSP分为静态LSP和动态LSP两种。 静态LSP的建立静态LSP是用户通过手工为各个转发等价类分配标签而建立的。由于静态LSP各节点上不能相互感知到整个LSP的情况，因此静态LSP是一个本地的概念。 静态LSP不使用标签发布协议，不需要交互控制报文，因此消耗资源比较小，适用于拓扑结构简单并且稳定的小型网络。但通过静态方式分配标签建立的LSP不能根据网络拓扑变化动态调整，需要管理员干预。
动态LSP的建立动态LSP的标签发布协议 动态LSP通过标签发布协议动态建立。标签发布协议是MPLS的控制协议（也可称为信令协议），负责FEC的分类、标签的分发以及LSP的建立和维护等一系列操作。 MPLS可以使用多种标签发布协议： LDP LDP（Label Distribution Protocol）是专为标签发布而制定的协议。LDP根据IGP（Interior Gateway Protocol）、BGP（Border Gateway Protocol）路由信息通过逐跳方式建立LSP。 LDP详细原理请参见MPLS LDP配置中的“原理描述”。 MP-BGP MP-BGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol）是在BGP协议基础上扩展的协议。MP-BGP支持为MPLS VPN业务中私网路由和跨域VPN的标签路由分配标签。 MP-BGP详细原理请参见《Huawei AR650&AR1600&AR6100系列路由器 配置指南-IP路由》中的“BGP配置”。
动态LSP的基本建立过程 标签由下游LSR分配，按从下游到上游的方向分发。如图1-5，由下游LSR在IP路由表的基础上进行FEC的划分，并根据FEC分配标签，通告给上游的LSR，以便建立标签转发表和LSP。 图1-5 动态LSP的基本建立过程
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