摘要：MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换）位于TCP/IP协议栈中的链路层和网络层之间，以标签交换替代IP转发。用于向IP层提供连接服务，同时又从链路层得到服务。
MPLS多协议标签交换技术原理介绍
MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换）位于TCP/IP协议栈中的链路层和网络层之间，以标签交换替代IP转发。用于向IP层提供连接服务，同时又从链路层得到服务。
MPLS不局限于特定的链路层协议，能够使用任意二层介质传输网络分组。MPLS的核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6、IPX、Appletalk、DECnet、CLNP等。它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。
MPLS基本概念
MPLS网络的典型结构如图1所示，其基本组成单元是标签交换路由器LSR（Label Switching Router）。LSR是指可以进行MPLS标签交换和报文转发的网络设备，也称为MPLS节点。
图1 MPLS网络结构
由LSR构成的网络区域称为MPLS域，根据LSR在MPLS域中位置的不同，可将LSR分为边沿路由器LER和核心LSR（Core LSR）。
LER：位于MPLS域边缘、连接其它网络的LSR称为边缘路由器LER（Label Edge Router）。如果一个LSR有一个不运行MPLS的相邻节点，那么该LSR就是LER。
Core LSR：区域内部的LSR称为核心LSR（Core LSR），如果一个LSR的相邻节点都运行MPLS，则该LSR就是核心LSR。
转发等价类FEC（Forwarding Equivalence Class）是一组具有某些共性的数据流的集合。这些数据流在转发过程中被LSR以相同方式处理。
FEC可以根据地址、业务类型、QoS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（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，对应一个FEC可能会有多个入标签，但是一台路由器上，一个标签只能代表一个FEC。
标签长度为4个字节，封装结构如图2所示。
图2 MPLS报文首部结构
标签共有4个域：
Label：20bit，标签值域。
Exp：3bit，用于扩展。现在通常用做CoS（Class of Service），其作用与Ethernet802.1p的作用类似。
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分组中的TTL（Time To Live）意义相同。
标签封装在链路层和网络层之间。这样，标签能够被任意的链路层所支持。标签在分组中的封装位置如图3所示。
图3 标签在分组中的封装位置
标签栈（Label stack）是指标签的排序集合。MPLS报文支持同时携带多个标签，靠近二层首部的标签称为栈顶标签或外层标签；靠近IP首部的标签称为栈底标签，或内层标签。理论上，MPLS标签可以无限嵌套。
图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。
标签的操作类型包括标签压入（Push）、标签交换（Swap）和标签弹出（Pop）。
Push：指当IP报文进入MPLS域时，MPLS边界设备在报文二层首部和IP首部之间插入一个新标签；或者MPLS中间设备根据需要，在标签栈顶增加一个新的标签。
Swap：当报文在MPLS域内转发时，根据标签转发表，用下一跳分配的标签，替换MPLS报文的栈顶标签。
Pop：当报文离开MPLS域时，将MPLS报文的标签去掉；或者MPLS倒数第二跳节点处去掉栈顶标签。
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标签交换路径LSP（Label Switched Path）。
LSP是从入口到出口的一个单向路径。如图5所示，LSP中的LSR可以分为入节点、中间节点和出节点
图5 MPLS LSP
入节点（Ingress）：LSP的起始节点，一条LSP只能有一个Ingress。Ingress的主要功能是给报文压入一个新的标签，封装成MPLS报文进行转发。
中间节点（Transit）：LSP的中间节点，一条LSP可能有多个Transit。Transit的主要功能是查找标签转发信息表，通过标签交换完成MPLS报文的转发。
出节点（Egress）：LSP的末节点，一条LSP只能有一个Egress。Egress的主要功能是弹出标签，恢复成原来的报文进行相应的转发。
其中Ingress和Egress既是LSR，又是LER；由此可见，由LER负责对进入MPLS域的报文划分FEC，并为这些FEC压入标签，进行MPLS转发。当报文离开MPLS域时弹出标签，恢复成原来的报文，再进行相应的转发。
倒数第二跳弹出在最后一跳节点，标签已经没有使用价值，所以可以利用倒数第二跳弹出特性PHP（Penultimate Hop Popping），在倒数第二跳节点处将标签弹出，最后一跳节点直接进行IP转发或者下一层标签转发，从而减少最后一跳的负担。
PHP在Egress节点上配置。PHP的Egress节点分配给倒数第二跳节点一个特殊的标签：标签值3。当一个LSR发现自己被分配了标签值为3时，它并不用这个值替代栈顶原来的标签，而是直接执行Pop操作。Egress节点直接进行IP转发或下一层标签转发。
上游和下游根据数据传送的方向，LSR可以分为上游和下游。
上游：以指定的LSR为视角，根据数据传送的方向，所有往本LSR发送MPLS报文的LSR都可以称为上游LSR。
下游：以指定的LSR为视角，根据数据传送的方向，本LSR将MPLS报文发送到的所有下一跳LSR都可以称为下游LSR。
如图6所示，对于发往192.168.1.0/24的数据流来说，LSR-A是LSR-B的上游节点，LSR-B是LSR-A的下游节点。同理，LSR-B是LSR-C上游节点。LSR-C是LSR-B的下游节点。
图6 上游和下游概念
将目的地址相同的分组报文划分为一个FEC，然后从MPLS标签资源池中取出一个标签，分配给这个FEC。LSR记录该标签和FEC的对应关系，并将该对应关系封装成消息报文，通告给上游的LSR，这个过程称为标签分发。
图7 标签分发示意图
如图7，LSR-B和LSR-C对去往192.168.1.0/24的报文划分为一个FEC，然后为该FEC分配标签，并向上游通告。由此可见，标签是由下游向上游分配的。
来源：法律联讯