MPLS网络架构和详解

MPLS网络的架构以及详解

MPLS（Multiprotocol Label Switching，多协议标签交换）起源于IPv4（Internet Protocol version 4，因特网协议版本4），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（Internet Protocol version 6，因特网协议版本6）、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协议。

MPLS技术集二层的快速交换和三层的路由转发于一体，可以满足各种新应用对网络的要求。

MPLS网络的原理:

        透传业务报文；控制平面（control plane）和数据平面（data plane）的分离。

        MPLS TP-OAM报文作为MPLS网内的管理报文进行网内故障管理。

MPLS结构的详细介绍可参考RFC 3031（Multiprotocol Label Switching Architecture）。

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IP转发中，到同一个目的地址的所有报文就是一个FEC。

2. 标签

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，其结构如图1所示。标签共有4个域：

图 1 标签的封装结构

标签共有4个域：

l              Label：标签值字段，长度为20bits，用来标识一个FEC。

l              Exp：3bits，保留，协议中没有明确规定，通常用作CoS。

l              S：1bit，MPLS支持多重标签。值为1时表示为最底层标签。

l              TTL：8bits，和IP分组中的TTL意义相同，可以用来防止环路。

如图 2所示，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和网络层数据之间的一个垫层中。这样，任意链路层都能够支持标签。

图 2 标签在分组中的封装位置

Label：标签，Frame mode：帧模式，Cell mode：信元模式

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都支持MPLS技术。

4. 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。如图 3中，R2为R1的下游LSR，相应的，R1为R2的上游LSR。

图 3 标签交换路径LSP

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。

5. 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可以使用多种标签发布协议，包括专为标签发布而制定的协议，例如：LDP、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。

6. LSP隧道技术

MPLS支持LSP隧道技术。

一条LSP的上游LSR和下游LSR，尽管它们之间的路径可能并不在路由协议所提供的路径上，但是MPLS允许在它们之间建立一条新的LSP，这样，上游LSR和下游LSR分别就是这条LSP的起点和终点。这时，上游LSR和下游LSR间的LSP就是LSP隧道，它避免了采用传统的网络层封装隧道。如4. 图 3中LSP就是R2、R3间的一条隧道。

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）。

7. 多层标签栈

如果分组在超过一层的LSP隧道中传送，就会有多层标签，形成标签栈（Label Stack）。在每一隧道的入口和出口处，进行标签的入栈（PUSH）和出栈（POP）操作。

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。

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1级标签，位于栈顶的标签为m级标签。未压入标签的分组可看作标签栈为空（即标签栈深度为零）的分组。

1. MPLS网络结构

如图 4所示，MPLS网络的基本构成单元是LSR，由LSR构成的网络称为MPLS域。

位于MPLS域边缘、连接其它用户网络的LSR称为LER（Label Edge Router，边缘LSR），区域内部的LSR称为核心LSR。核心LSR可以是支持MPLS的路由器，也可以是由ATM交换机等升级而成的ATM-LSR。域内部的LSR之间使用MPLS通信，MPLS域的边缘由LER与传统IP技术进行适配。

分组在入口LER被压入标签后，沿着由一系列LSR构成的LSP传送，其中，