mpls協議

6.3MPLS基本原理

6.3.1標記分配和標記分發

標記分配(LabelAssignment)是將特定的標記L與特定的FEC進行綁

定，即為L與FEC進行映射；標記分發(LabelDistribution)是將標記

綁定的信息告知給相鄰的LSR。標記分配和標記分發是兩個獨立而又緊

密相關的操作，共同用于建立和維護標記轉發表，建立和維護LSP。

要在MPLS中執行標記交換，第一步就先要進行標記分配和分發。MPLS

規定采用下游標記分配，也就是標記是沿著數據流傳輸的逆方向進行分

配和分發。每個LSR本地分配輸入標記，將標記分配給特定的FEC，然

后將此綁定信息告知上游，作為上游節點的輸出標記，即標記按下游至

上游的方向分配和分發。標記分配是每個LSR隨機自動生成的，每個

LSR可以使用的標記一共有220個，其中0~15由系統保留，可分配的

標記從16到1048575。

上游(upstream)和下游(downstream)是根據數據流的流向而定的。一個

分組由一個路由器發往另一個路由器時，發送方的路由器為上游路由

器，接收方為下游路由器。RU和RD分別表示上游LSR和下游LSR。下

游是路由的始發者。兩個LSR之間利用標記分發協議LDP進行標記分發。

LDP在6.4節詳細介紹。

標記分配和標記分發主要有兩種方式：

1.下游自主方式DU

下游自主方式DU(DownstreamUnsolicited)參見圖6.7，每個LSR不需

要上游請求即可主動為所選的FEC分配標記并周期地向上游分發，優點

是分配速度快。

2.下游按需方式DoD

下游按需方式DoD(Downstream-on-Demand)參見圖6.8，每個LSR只有

在收到上游LSR發來的請求時才為該FEC分配標記并反饋給上游，優點

是利于路由信息和標記綁定的同步。

有關標記分配有幾個比較形象的記憶口訣：

入標記是我分給別人的，出標記是別人分給我的；

我分配的標記是給別人用的，我不會添加到報文中；

下游為上游分配出標記。

6.3.2標記保存

標記保存有兩種方法：

1.自由保存

自由(liberal)保存參見圖6.9。LSR保存鄰居LSR發來的所有標記綁定

信息。優點是對路由改變響應快，缺點是標記信息存儲量大。這種方式

應用較廣。

2.保守保存

保守(conrvative)保存參見圖6.10。LSR只維護用于轉發分組期間時

的標記，僅保存其下一跳發來的標記綁定信息。優點是標記信息存儲量

小，但對路由改變響應較慢。

6.3.3標記控制

標記控制用于定義標記交換路徑LSP建立方式，分為兩種：

1.有序控制

有序(ordered)控制參見圖6.11。由出口LSR發起，各LSR從下游向上

游依次分配并分發標記綁定，順序建立LSP。除非LSR是路由的始發節

點，否則LSR必須等收到下一跳的標記映射消息才能向上游發送標記映

射消息。優點是標記分配一致性好，缺點是建立LSP時間長。

2.獨立控制

獨立(independnet)控制參見圖6.12。由任意單獨節點的LSR發起，每

個LSR獨立為FEC分配標記，不必等收到下一跳的標記映射消息就可向

上游發送標記映射消息，獨立建立LSP。優點是建立LSP時間短，缺點

是標記分配一致性較差。

6.3.4MPLS封裝

為了將標記與分組一起轉發，要求在轉發之前對標記進行適當的編碼和

封裝。所謂封裝，是指對標記或標記堆棧及其用于標記交換的附加信息

進行編碼，使之可以附加在分組上進行傳送。

對于不同的數據鏈路層，MPLS封裝方法不同。

1.利用鏈路層標識符作為標記

對于ATM和FR，可利用自身的標識符作為標記，參見圖6.13。對ATM，

用VCI或VPI作為標記；對于FR，用DLCI(數據鏈路控制標識符)作為

標記。

2.薄片(Shim)

對于本身不具有鏈路層標識符的鏈路層技術，如以太網、PPP等，MPLS

在數據鏈路層與網絡層頭間定義了一層“薄片(Shim)”來實現標記編碼

與封裝，參見圖6.14。Shim由4個字節組成，主要用于在數據包中攜

帶標記信息，其中20bit的標記(label)、3bit的服務等級CoS(Class

ofService)、1bit的標記堆棧指示S(labelstackindicator)和8

bit的存活時間域TTL(TimetoLive)。

薄片結構如下圖：

標記——20bit，可以分配1048576個標記，其中0~15作為特殊用途，

0表示IPv4顯示空標記，1表示路由器報警，2表示IPv6顯示空標記，

3表示隱式空標記，4~15保留；

服務等級CoS——3bit，可以表示8個級別的服務質量保證；

標記堆棧指示S——1bit，用在多個標記字段中，S＝1表示該標記為棧

低，S＝0表示該標記非棧低，只有一個標記時S＝1；

存活時間域TTL——8bit，與IP頭中的TTL作用一樣，主要用作環路

控制，限制數據分組在MPLS域中的生存時間，每經LSR轉發一次，TTL

值減一，當TTL＝0時，丟棄此數據分組。

6.3.5MPLS工作過程分析

在常規路由器網中，一個IP分組是沿路由器逐跳傳送的。每一個路由

器都要獨立讀出IP分組組頭，分析IP包的目的地址，運行路由算法，

選擇下一跳路由器。而IP分組組頭所包含的信息遠多于簡單選擇下一

跳所需的信息。

在MPLS網絡中，只需要在邊緣交換路由器進行一次IP分析，進行分類

并封裝上標記，核心交換機只根據標記進行交換，不再對IP包進行分

析，從而大大加快了交換的速度。

MPLS工作過程可分為自動路由表生成和IP分組傳送執行兩個階段，在

實際運行時這兩個階段是交叉進行的。

1.自動路由表生成階段

（1）MPLS網絡工作時，各LSR先運行路由協議建立路由表，如可在域

內運行OSPF、IGRP等路由協議，使域內各節點都具有全域的拓撲結構

信息，在管理層的參預下，可在全域均勻分配流量，優化網絡傳輸性能；

在域間運行BGP協議，對鄰域和主干核心網絡提供和獲取可達信息。

（2）各LSR運行LDP，即進行標記的分配與分發，按可達目的地址分

類劃分FEC，對FEC分配標記L，在LSR間建立鄰接關系，創建LSP。

（3）在沿著LSP的LSR上，建立輸入/輸出標記的映射表。映射表主要

構成元素有：

下一跳標記轉發入口NHLFE(NextHopLabelForwardingEntry)——

用于描述對標記執行的操作，包括壓棧、交換和出棧，它是轉發標記分

組，包含轉發下一跳、發送接口、標記操作以及任何其他可能對轉發有

用的信息；

FEC到NHLFE的映射FTN(FECTONHLFEMAP)——在入口LER上使用，

對無標記IP分組進行分類，得到FEC，將FEC映射到NHLFE；

輸入標記映射ILM(IncomingLabelMap)——在LSR上使用，對標記分

組進行處理，將標記分組的輸入標記映射進NHLFE。

NHLFE、FTN和ILM三者的關系如圖6.15所示。

（4）對路由表進行維護和更新。

分組傳送階段

（1）入口LER：IP分組進入MPLS域的邊緣節點，入口LER(Ingress)

讀出IP分組組頭，檢查IP分組頭，對數據流進行分類，得到多個FEC，

查找相應的FEC及其所映射的LSP，加上標記封裝構成標記分組，向指

定的端口輸出。

（2）LSR：根據分組中攜帶的標記信息和LSR中保存的轉發信息庫FIB

完成分組的轉發。即LSR的工作過程為：

提取標記——從分組中提取標記；

查詢索引——將該標記作為FIB的查詢索引，檢索該分組所對應的條

目；

交換——根據標記從映射表中找出相應的NHLFE，并用條目中的出口標

記和鏈路層信息替換分組中原來的標記和鏈路層信息；

發送——將分組從條目中指示的輸出接口發送出去。

在MPLS域內的各核心LSR中，從輸入端口接收到標記分組用標記作為

指針，查找轉發路由表，取出新標記，標記分組用新標記替代舊標記，

新的標記分組由指定的輸出端口發送給下一跳。

（3）出口LER：MPLS域的出口LER(Egress)接收到空的標記分組后，

讀出IP分組的組頭，按最終目的地址，將IP分組從指定的端口輸出。

3.倒數第二跳彈出PHP

在出口處，EgressLER本應變MPLS轉發為IP路由查找，但它收到的

仍舊是含有標記的MPLS報文，按照常規，這個報文應該送交MPLS模塊

處理，而此時MPLS模塊不需要標記轉發，能做的只是去掉標記，然后

送交IP層。其實對于EgressLER，處理MPLS報文是沒有意義的。最

好能夠保證它直接收到的就是IP報文。這就需要在EgressLER的上游

(倒數第二跳)就把標記給彈出來。關鍵問題是上游設備如何知道自己是

倒數第二跳呢？其實很簡單，在倒數第一跳為其分配標記時做一下特殊

說明即可(如分配一個特殊的標記3)。這就是倒數第二跳彈出

PHP(PenultimateHopPopping)。因為Egress已是目的地址的輸出端

口，不再需要對標記分組按標記轉發，而是直接讀出IP分組組頭，將

IP分組傳送到最終目的地址。這種處理方式，是保證MPLS全程所有LSR

對需處理的分組只作一次處理，也便于轉發功能的分級處理。

下面以圖6.16為例分析MPLS工作過程。

假定網絡已經建立了圖6.16所示的標記映射表，則工作過程為：

①A為入口LER，當接收到一個目的地址為124.222.16.1的IP分組時，

LERA進行IP頭分析，分類得到FEC，假設FEC為124.222.16.0/24，

然后執行FTN，將FEC映射到NHLFE，并加上標記L1，從端口E1送往

下一跳B。

②B、C均為LSR，當LSRB/C收到一個攜帶標記“L1/L2”時，其工作

流程為：

從分組中抽出標記“L1/L2”；

將“L1/L2”作為轉發信息庫FIB的查詢索引，檢索該分組所對應的

NHLFE；

用NHLFE中的出口標記“L2/L3”和鏈路層信息替換分組中原來的標記

“L1/L2”和鏈路層信息；

將分組從NHLFE中指示的輸出接口“E0/E2”發送出去，如果NHLFE中

指定了輸出隊列，則將其放臵到相應隊列中，一個接口可能有多個輸出

隊列，分別對應不同的服務質量。

③D為出口LER，當LERD接收到空的標記分組后，讀出IP分組的組

頭，按最終目的地址，將IP分組從指定的端口輸出。

1多協議標簽交換

多協議標簽交換（MPLS,multi-protocollabelswitching）屬于第三代網絡架構，是新一代IP高速骨干網絡交

換的標準，由因特網工程任務組（IETF）提出，由思科、ASCEND、3Com等網絡設備廠商主導。

MPLS是集成式的IPoverATM技術（即在幀中繼或ATM交換上結合路由功能），數據包通過虛擬電路傳

送，只需在OSI第二層（數據鏈結層）執行硬件式交換（取代第三層（網絡層）軟件式選路）。它把IP選

路與第二層標簽交換整合為單一的系統，因此可解決Internet的路由問題，縮短數據包傳送的時延，加快網

絡傳輸速度，適合于多媒體信息傳送。MPLS最大的技術特色是可以指定數據包傳送的先后順序，它使用

標簽交換（labelswitching），網絡路由器只需判別標簽，即可進行傳送。

MPLS的運作原理是為每個IP數據包提供一個標簽，并由此決定數據包的路徑及優先級。與MPLS兼容的

路由器在把數據包轉送到其路徑前，僅讀取數據包標簽，無需讀取每個數據包的IP地址及標頭（網絡速度

會加快），然后把所傳送的數據包置于幀中繼或ATM的虛擬電路上，并迅速傳送到終點路由器，減少數

據包的時延。同時，按幀中繼或ATM交換機提供的Qos，對所傳送的數據包加以分級，大幅提升網絡服務

品質，提供多樣化服務。

2網絡的需求

多年以前，人們期盼ATM能做任何事情，隨著Internet的發展，人們試圖通過ATM傳送話音和圖像，但

由于ATM自身的一些限制，使它無法適應Internet的高速發展。同時，由于點到點的連接，人們難以承受

其價格高昂和對帶寬資源的嚴重浪費。然而，由于IP網的開放性，人們又很難實現端到端的連接，同時話

音數據包的傳輸也存在很多問題。因而，把ATM網與IP網合二為一是人們的初衷。

3主要技術的支持

最早采用的方式是IPoverATM，但遇到非常多的問題和困難，如IP地址與ATM地址之間的映射問題。

ATM的優點在于用硬件轉發固定長度的包，因為只要看到包頭的轉發信息就可直接轉發，硬把兩個協議捆

綁在一起沒有成功，也未能推廣。后來，一些人試圖把兩種協議的優勢相結合，即把ATM的轉發機制與

IP網的尋址和路由機制結合，由此產生IP交換技術，并通過IETF組織推出MPLS協議。

4運營商的需要

盡管網絡需求與日俱增，但由于帶寬價格大幅下降，使運營商的收入越來越少，對于新興運營商來說，要

想找到一家投資方，困難自不必說，對于那些身負債務的運營商，也很難有新的資金建造網絡。盡管如此，

用戶并沒有因此而停止對新服務的需求，運營商必須尋求新的服務和技術，才能為用戶提供更好更智能化

的服務。因此，盡管遇到種種困難，運營商還在繼續投資網絡技術。另一方面，運營商投入大量資金建設

骨干網絡，但這些骨干網并未被充分利用，網絡最后一公里的限制阻礙了信息入戶的速度，成為網絡發展

的瓶頸。

很多運營商表示，在選擇新骨干網時，MPLS將是首選。因此，在未來一段時間內，MPLS將會同ATM、

SDH和DWDM一起，并駕齊驅在骨干網絡的大軍中，有調查顯示，未來幾年內，在數據網絡的骨干網中，

MPLS技術的發展前景極好，并在未來的歐洲網絡市場中占中心地位。這是因為通過分層次服務和新服務，

MPLS將為IP網絡帶來巨大效益。同時，MPLS能把ATM與IP合并在一起，使網絡更簡單。

5MPLS的應用領域

MPLS的網絡應用主要在三方面：（1）IP網絡的Qos；（2）IP網絡的流量工程；（3）IP網絡的服務功能

（如VPN）。由于地區和運營商各不相同，人們對MPLS三方面的需求也有所側重。

在美國，發展較快、應用較多的是MPLS在流量工程方面的應用。由于美國的網絡歷史較長，新老產品同

時用于網絡，整個網絡的結構如同蜘蛛網，十分復雜。在這種情況下，需要合理地分配不同通路上的流量，

以充分利用網絡的已有資源和通路。MPLS在流量工程方面的功能可恰到好處得到利用。

在歐洲、中國等地區和國家，由于IP網的發展相對較晚，但發展速度很快，在這種情況下建立的網絡帶寬

較高，例如中國新建的網絡帶寬都在2.5G左右，因此網絡流量工程方面的應用不太緊迫。網絡服務供應商

把對MPLS提供的增值服務需求提到議事日程上，其中最迫切的是VPN業務，他們希望在IP網上推出幀

中繼和ATM虛擬專網服務。

6MPLS發展前景

（1）從骨干走向邊緣

MPLS從骨干網走向邊緣網已是一種越來越明顯的趨勢，這一進程將給邊緣帶來更大帶寬、更高智能和更

多服務。在接入網中，利用MPLS技術承載的以太網會使網絡更易升級和富有彈性。在每個骨干網中，普

通以太網只能處理4000個VLAN，而MPLS能使每個路由器最多支持100萬個標簽。因此，邊緣路由器廠

商也開始關注MPLS。

（2）替代ATM

當初，人們是在ATM網上提供IP服務。目前，從發展趨勢看，人們只希望在IP網上提供類似ATM的服

務。因為目前完全替代ATM還不可能，所以MPLS將在IP網上發展。未來，人們將逐漸把ATM限制在

一小部分有特殊需求的地方，如專網用戶租用特定帶寬，并在該線路上實現電話和電視會議。

（3）結合底層光設備

從整個網絡發展方向來看，在未來的核心網上，所有新運營商在第一時間內建立的骨干Internet網都采用光

結點。MPLS不再單一存在，它將與底層的光設備相輔相成。以前的IP是第一層、第二層和第三層在一起，

現在利用MPLS的基礎，IP與底層和光設備結合起來，讓不來識別IP路由，即基于IP來驅動光，將來的

網絡核心是波長路由。現有網絡與未來網絡的關系是，現有網絡將是未來大網絡的接入結點。未來網不會

摒棄現有的技術和產品，而是把它們結合進來，只是所有的應用都要以IP形式來做。