MPLS网络结构

MPLS网络的典型结构如图2-1，MPLS网络的基本组成单元是标签交换路由器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、连接其它网络的LSR称为边沿路由器LER（Label Edge Router），区域内部的LSR称为核心LSR（Core LSR）。如果一个LSR有一个或多个不运行MPLS的相邻节点，那么该LSR就是LER。如果一个LSR的相邻节点都运行MPLS，则该LSR就是核心LSR。

图2-1 MPLS网络结构

MPLS基于标签进行转发。IP包进入MPLS网络时，MPLS入口的LER分析IP包的内容并且为这些IP包添加合适的标签，所有MPLS网络中的节点都是依据标签来转发数据的。当该IP包离开MPLS网络时，标签由出口边缘路由器删除。

IP包在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。

图2-2 MPLS LSP

LSP的起始节点称为入节点（Ingress）；位于LSP中间的节点称为中间节点（Transit）；LSP的末节点称为出节点（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出节点。

转发等价类

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

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2-3所示。

图2-3 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2-4所示。

图2-4 标签在分组中的封装位置

标签空间

标签空间就是指标签的取值范围。NE40E实现中，标签空间划分如下：

• 特殊标签。特殊标签的详细介绍请参见表2-1。

• 静态LSP和静态CR-LSP共享的标签空间。

• LDP、RSVP-TE、MP-BGP等动态信令协议的标签空间。

  动态信令协议的标签空间不是共享的，而是独立且连续的，互不影响。

标签栈

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2-5 标签栈

标签栈按后进先出（Last In First Out）方式组织标签，从栈顶开始处理标签。

标签操作类型

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），它们是标签转发的基本动作，是标签转发信息表的组成部分。

• 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（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报文的标签去掉；或者MPLS倒数第二跳节点处去掉栈顶标签，减少标签栈中的标签数目。

倒数第二跳弹出

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。

PHP在Egress节点上配置。支持PHP的Egress节点分配给倒数第二跳节点的标签只有一种：

标签值3：表示隐式空标签（implicit-null），这个值不会出现在标签栈中。当一个LSR发现自己被分配了隐式空标签时，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。

标签交换路由器

标签交换路由器LSR（Label Switching Router）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。LSR是MPLS网络中的基本元素，所有LSR都支持MPLS协议。

LER

位于MPLS域边缘的LSR称为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。

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。

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。

入节点、中间节点和出节点

标签交换路径LSP是一个单向路径，LSP中的LSR可以分为：

• 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；Transit是LSR。

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2-6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2-6 上游和下游概念

标签分发

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2-7 标签分发示意图

如图2-7，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。因此标签是由下游分配的。

标签发布协议

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，例如LDP（Label Distribution Protocol）、RSVP-TE（Resource Reservation Protocol Traffic Engineering）和MP-BGP（Multiprotocol Border Gateway Protocol）。

MPLS的体系结构

MPLS的体系结构由控制平面（Control Plane）和转发平面（Forwarding Plane）组成。

MPLS体系结构如图2-8。

图2-8 MPLS体系结构示意图

• 控制平面是无连接的，主要功能是负责标签的分配、标签转发表的建立、标签交换路径的建立、拆除等工作。

• 转发平面也称为数据平面（Data Plane），是面向连接的，可以使用ATM、Ethernet等二层网络。转发平面的主要功能是对IP包进行标签的添加和删除，同时依据标签转发表对收到的分组进行转发。