目录
MPLS基础简介
定义
目的
MPLS基本结构
网络结构
体系结构
MPLS标签
转发等价类
标签
标签空间
LSP的建立
静态LSP的建立
动态LSP的建立
MPLS转发
MPLS基本转发过程
MPLS对TTL的处理
配置静态LSP示例
组网需求
配置思路
MPLS基础简介
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所示。MPLS基于标签进行转发，图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 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。
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2所示，它由控制平面（Control Plane）和转发平面（Forwarding Plane）组成。
图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。
转发信息表FIB（Forwarding Information Base）：从RIB提取必要的路由信息生成，负责普通IP报文的转发。
标签转发信息表LFIB（Label Forwarding Information Base）：简称标签转发表，由标签分发协议在LSR上建立LFIB，负责带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。
图1 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2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2 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。
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。
RSVP-TE
RSVP-TE（Resource Reservation Protocol Traffic Engineering）是对RSVP的扩展，用于建立基于约束的LSP。它拥有普通LDP LSP没有的功能，如发布带宽预留请求、带宽约束、链路颜色和显式路径等。
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。
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，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 动态LSP的基本建立过程
MPLS转发
MPLS基本转发过程
基本概念
在MPLS基本转发过程中涉及的相关概念如下：
标签操作类型包括标签压入（Push）、标签交换（Swap）和标签弹出（Pop），它们是标签转发的基本动作。
Push：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（即标签嵌套封装）。
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报文的标签剥掉。
在最后一跳节点，标签已经没有使用价值。这种情况下，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，减少最后一跳的负担。最后一跳节点直接进行IP转发或者下一层标签转发。
默认情况下，设备支持PHP特性，支持PHP的Egress节点分配给倒数第二跳节点的标签值为3。
Tunnel ID
为了给使用隧道的上层应用（如VPN、路由管理）提供统一的接口，系统自动为隧道分配了一个ID，也称为Tunnel ID。该Tunnel ID的长度为32比特，只是本地有效。
NHLFE
下一跳标签转发表项NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry）用于指导MPLS报文的转发。
NHLFE包括：Tunnel ID、出接口、下一跳、出标签、标签操作类型等信息。
FEC到一组NHLFE的映射称为FTN（FEC-to-NHLFE）。通过查看FIB表中Tunnel ID值不为0x0的表项，能够获得FTN的详细信息。FTN只在Ingress存在。
ILM
入标签到一组下一跳标签转发表项的映射称为入标签映射ILM（Incoming Label Map）。
ILM包括：Tunnel ID、入标签、入接口、标签操作类型等信息。
ILM在Transit节点的作用是将标签和NHLFE绑定。通过标签索引ILM表，就相当于使用目的IP地址查询FIB，能够得到所有的标签转发信息。
详细转发过程
图2 MPLS详细转发过程
MPLS详细转发过程如图2所示。
当IP报文进入MPLS域时，首先查看FIB表，检查目的IP地址对应的Tunnel ID值是否为0x0。
如果Tunnel ID值为0x0，则进入正常的IP转发流程。
如果Tunnel ID值不为0x0，则进入MPLS转发流程。
在MPLS转发过程中，FIB、ILM和NHLFE表项是通过Tunnel ID关联的。
Ingress的处理：通过查询FIB表和NHLFE表指导报文的转发。
查看FIB表，根据目的IP地址找到对应的Tunnel ID。
根据FIB表的Tunnel ID找到对应的NHLFE表项，将FIB表项和NHLFE表项关联起来。
查看NHLFE表项，可以得到出接口、下一跳、出标签和标签操作类型。
在IP报文中压入出标签，同时处理TTL，然后将封装好的MPLS报文发送给下一跳。
转发过程中对TTL的处理.
Transit的处理：通过查询ILM表和NHLFE表指导MPLS报文的转发。
根据MPLS的标签值查看对应的ILM表，可以得到Tunnel ID。
根据ILM表的Tunnel ID找到对应的NHLFE表项。
查看NHLFE表项，可以得到出接口、下一跳、出标签和标签操作类型。
MPLS报文的处理方式根据不同的标签值而不同。
如果标签值>＝16，则用新标签替换MPLS报文中的旧标签，同时处理TTL，然后将替换完标签的MPLS报文发送给下一跳。
如果标签值为3，则直接弹出标签，同时处理TTL，然后进行IP转发或下一层标签转发。
Egress的处理：通过查询ILM表指导MPLS报文的转发或查询路由表指导IP报文转发。
如果Egress收到IP报文，则查看路由表，进行IP转发。
如果Egress收到MPLS报文，则查看ILM表获得标签操作类型，同时处理TTL。
如果标签中的栈底标识S=1，表明该标签是栈底标签，直接进行IP转发。
如果标签中的栈底标识S=0，表明还有下一层标签，继续进行下一层标签转发。
MPLS对TTL的处理
MPLS对TTL的处理包括MPLS对TTL的处理模式和ICMP响应报文这两个方面。
MPLS对TTL的处理模式
MPLS标签中包含一个8比特的TTL字段，其含义与IP头中的TTL域相同。MPLS对TTL的处理除了用于防止产生路由环路外，也用于实现Traceroute功能。
MPLS对TTL的处理模式包括：Uniform和Pipe。缺省情况下，MPLS对TTL的处理模式为Uniform。
Uniform模式
IP报文经过MPLS网络时，在入节点，IP TTL减1映射到MPLS TTL字段，此后报文在MPLS网络中按照标准的TTL处理方式处理。在出节点将MPLS TTL减1后映射到IP TTL字段。如图3所示。
图3 Uniform模式下入方向TTL的处理
Pipe模式
在入节点，IP TTL值减1，MPLS TTL字段为固定值，此后报文在MPLS网络中按照标准的TTL处理方式处理。在出节点会将IP TTL字段的值减1。即IP分组经过MPLS网络时，无论经过多少跳，IP TTL只在入节点和出节点分别减1。如图4所示。
图4 Pipe模式下入方向TTL的处理
在MPLS VPN应用中，出于网络安全的考虑，需要隐藏MPLS骨干网络的结构，这种情况下，对于私网报文，Ingress上使用Pipe模式。
配置静态LSP示例
组网需求
如图1所示，网络拓扑结构简单并且稳定，LSR_1、LSR_2、LSR_3为MPLS骨干网设备。要求在骨干网上创建稳定的公网隧道来承载L2VPN或L3VPN业务。
图1 配置静态LSP组网
配置思路
配置静态LSP，可以实现此需求。按要求需配置两条静态LSP：LSR_1到LSR_3的路径为LSP1，LSR_1为Ingress，LSR_2为Transit，LSR_3为Egress；LSR_3到LSR_1的路径为LSP2，LSR_3为Ingress，LSR_2为Transit，LSR_1为Egress。采用如下的配置思路：
在LSR上配置OSPF，实现骨干网的IP连通性。在LSR上配置MPLS功能，这是实现在骨干网上创建公网隧道的前提。由于网络拓扑结构简单并且稳定，且需创建稳定的公网隧道来承载L2VPN或L3VPN业务，因此配置静态LSP。为了实现这一步，需进行以下操作。
在Ingress配置此LSP的目的地址、下一跳和出标签的值。在Transit配置此LSP的入接口、与上一节点出标签相等的入标签的值、对应的下一跳和出标签的值。在Egress配置此LSP的入接口、与上一节点出标签相等的入标签的值。
LSR_1的配置文件
#
sysname LSR_1
#
mpls lsr-id 10.10.1.1
mpls
#
interface GigabitEthernet1/0/0
ip address 10.1.1.1 255.255.255.0
mpls
#
interface LoopBack1
ip address 10.10.1.1 255.255.255.255
#
ospf 1
area 0.0.0.0
network 10.10.1.1 0.0.0.0
network 10.1.1.0 0.0.0.255
#
static-lsp ingress LSP1 destination 10.10.1.3 32 nexthop 10.1.1.2 out-label 20
static-lsp egress LSP2 incoming-interface GigabitEthernet1/0/0 in-label 60
#
return
LSR_2的配置文件
sysname LSR_2
#
mpls lsr-id 10.10.1.2
mpls
#
interface GigabitEthernet1/0/0
ip address 10.1.1.2 255.255.255.0
mpls
#
interface GigabitEthernet2/0/0
ip address 10.2.1.1 255.255.255.0
mpls
#
interface LoopBack1
ip address 10.10.1.2 255.255.255.255
#
ospf 1
area 0.0.0.0
network 10.10.1.2 0.0.0.0
network 10.1.1.0 0.0.0.255
network 10.2.1.0 0.0.0.255
#
static-lsp transit LSP1 incoming-interface GigabitEthernet1/0/0 in-label 20 nexthop 10.2.1.2 out-label 40
static-lsp transit LSP2 incoming-interface GigabitEthernet2/0/0 in-label 30 nexthop 10.1.1.1 out-label 60
#
return
LSR_3的配置文件
#
sysname LSR_3
#
mpls lsr-id 10.10.1.3
mpls
#
interface GigabitEthernet1/0/0
ip address 10.2.1.2 255.255.255.0
mpls
#
interface LoopBack1
ip address 10.10.1.3 255.255.255.255
#
ospf 1
area 0.0.0.0
network 10.10.1.3 0.0.0.0
network 10.2.1.0 0.0.0.255
#
static-lsp egress LSP1 incoming-interface GigabitEthernet1/0/0 in-label 40
static-lsp ingress LSP2 destination 10.10.1.1 32 nexthop 10.2.1.1 out-label 30
#
return