mpls协议

6.3MPLS基本原理

6.3.1标记分配和标记分发

标记分配(LabelAssignment)是将特定的标记L与特定的FEC进行绑

定，即为L与FEC进行映射；标记分发(LabelDistribution)是将标记

绑定的信息告知给相邻的LSR。标记分配和标记分发是两个独立而又紧

密相关的操作，共同用于建立和维护标记转发表，建立和维护LSP。

要在MPLS中执行标记交换，第一步就先要进行标记分配和分发。MPLS

规定采用下游标记分配，也就是标记是沿着数据流传输的逆方向进行分

配和分发。每个LSR本地分配输入标记，将标记分配给特定的FEC，然

后将此绑定信息告知上游，作为上游节点的输出标记，即标记按下游至

上游的方向分配和分发。标记分配是每个LSR随机自动生成的，每个

LSR可以使用的标记一共有220个，其中0~15由系统保留，可分配的

标记从16到1048575。

上游(upstream)和下游(downstream)是根据数据流的流向而定的。一个

分组由一个路由器发往另一个路由器时，发送方的路由器为上游路由

器，接收方为下游路由器。RU和RD分别表示上游LSR和下游LSR。下

游是路由的始发者。两个LSR之间利用标记分发协议LDP进行标记分发。

LDP在6.4节详细介绍。

标记分配和标记分发主要有两种方式：

1.下游自主方式DU

下游自主方式DU(DownstreamUnsolicited)参见图6.7，每个LSR不需

要上游请求即可主动为所选的FEC分配标记并周期地向上游分发，优点

是分配速度快。

2.下游按需方式DoD

下游按需方式DoD(Downstream-on-Demand)参见图6.8，每个LSR只有

在收到上游LSR发来的请求时才为该FEC分配标记并反馈给上游，优点

是利于路由信息和标记绑定的同步。

有关标记分配有几个比较形象的记忆口诀：

入标记是我分给别人的，出标记是别人分给我的；

我分配的标记是给别人用的，我不会添加到报文中；

下游为上游分配出标记。

6.3.2标记保存

标记保存有两种方法：

1.自由保存

自由(liberal)保存参见图6.9。LSR保存邻居LSR发来的所有标记绑定

信息。优点是对路由改变响应快，缺点是标记信息存储量大。这种方式

应用较广。

2.保守保存

保守(conrvative)保存参见图6.10。LSR只维护用于转发分组期间时

的标记，仅保存其下一跳发来的标记绑定信息。优点是标记信息存储量

小，但对路由改变响应较慢。

6.3.3标记控制

标记控制用于定义标记交换路径LSP建立方式，分为两种：

1.有序控制

有序(ordered)控制参见图6.11。由出口LSR发起，各LSR从下游向上

游依次分配并分发标记绑定，顺序建立LSP。除非LSR是路由的始发节

点，否则LSR必须等收到下一跳的标记映射消息才能向上游发送标记映

射消息。优点是标记分配一致性好，缺点是建立LSP时间长。

2.独立控制

独立(independnet)控制参见图6.12。由任意单独节点的LSR发起，每

个LSR独立为FEC分配标记，不必等收到下一跳的标记映射消息就可向

上游发送标记映射消息，独立建立LSP。优点是建立LSP时间短，缺点

是标记分配一致性较差。

6.3.4MPLS封装

为了将标记与分组一起转发，要求在转发之前对标记进行适当的编码和

封装。所谓封装，是指对标记或标记堆栈及其用于标记交换的附加信息

进行编码，使之可以附加在分组上进行传送。

对于不同的数据链路层，MPLS封装方法不同。

1.利用链路层标识符作为标记

对于ATM和FR，可利用自身的标识符作为标记，参见图6.13。对ATM，

用VCI或VPI作为标记；对于FR，用DLCI(数据链路控制标识符)作为

标记。

2.薄片(Shim)

对于本身不具有链路层标识符的链路层技术，如以太网、PPP等，MPLS

在数据链路层与网络层头间定义了一层“薄片(Shim)”来实现标记编码

与封装，参见图6.14。Shim由4个字节组成，主要用于在数据包中携

带标记信息，其中20bit的标记(label)、3bit的服务等级CoS(Class

ofService)、1bit的标记堆栈指示S(labelstackindicator)和8

bit的存活时间域TTL(TimetoLive)。

薄片结构如下图：

标记——20bit，可以分配1048576个标记，其中0~15作为特殊用途，

0表示IPv4显示空标记，1表示路由器报警，2表示IPv6显示空标记，

3表示隐式空标记，4~15保留；

服务等级CoS——3bit，可以表示8个级别的服务质量保证；

标记堆栈指示S——1bit，用在多个标记字段中，S＝1表示该标记为栈

低，S＝0表示该标记非栈低，只有一个标记时S＝1；

存活时间域TTL——8bit，与IP头中的TTL作用一样，主要用作环路

控制，限制数据分组在MPLS域中的生存时间，每经LSR转发一次，TTL

值减一，当TTL＝0时，丢弃此数据分组。

6.3.5MPLS工作过程分析

在常规路由器网中，一个IP分组是沿路由器逐跳传送的。每一个路由

器都要独立读出IP分组组头，分析IP包的目的地址，运行路由算法，

选择下一跳路由器。而IP分组组头所包含的信息远多于简单选择下一

跳所需的信息。

在MPLS网络中，只需要在边缘交换路由器进行一次IP分析，进行分类

并封装上标记，核心交换机只根据标记进行交换，不再对IP包进行分

析，从而大大加快了交换的速度。

MPLS工作过程可分为自动路由表生成和IP分组传送执行两个阶段，在

实际运行时这两个阶段是交叉进行的。

1.自动路由表生成阶段

（1）MPLS网络工作时，各LSR先运行路由协议建立路由表，如可在域

内运行OSPF、IGRP等路由协议，使域内各节点都具有全域的拓扑结构

信息，在管理层的参预下，可在全域均匀分配流量，优化网络传输性能；

在域间运行BGP协议，对邻域和主干核心网络提供和获取可达信息。

（2）各LSR运行LDP，即进行标记的分配与分发，按可达目的地址分

类划分FEC，对FEC分配标记L，在LSR间建立邻接关系，创建LSP。

（3）在沿着LSP的LSR上，建立输入/输出标记的映射表。映射表主要

构成元素有：

下一跳标记转发入口NHLFE(NextHopLabelForwardingEntry)——

用于描述对标记执行的操作，包括压栈、交换和出栈，它是转发标记分

组，包含转发下一跳、发送接口、标记操作以及任何其他可能对转发有

用的信息；

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

对无标记IP分组进行分类，得到FEC，将FEC映射到NHLFE；

输入标记映射ILM(IncomingLabelMap)——在LSR上使用，对标记分

组进行处理，将标记分组的输入标记映射进NHLFE。

NHLFE、FTN和ILM三者的关系如图6.15所示。

（4）对路由表进行维护和更新。

分组传送阶段

（1）入口LER：IP分组进入MPLS域的边缘节点，入口LER(Ingress)

读出IP分组组头，检查IP分组头，对数据流进行分类，得到多个FEC，

查找相应的FEC及其所映射的LSP，加上标记封装构成标记分组，向指

定的端口输出。

（2）LSR：根据分组中携带的标记信息和LSR中保存的转发信息库FIB

完成分组的转发。即LSR的工作过程为：

提取标记——从分组中提取标记；

查询索引——将该标记作为FIB的查询索引，检索该分组所对应的条

目；

交换——根据标记从映射表中找出相应的NHLFE，并用条目中的出口标

记和链路层信息替换分组中原来的标记和链路层信息；

发送——将分组从条目中指示的输出接口发送出去。

在MPLS域内的各核心LSR中，从输入端口接收到标记分组用标记作为

指针，查找转发路由表，取出新标记，标记分组用新标记替代旧标记，

新的标记分组由指定的输出端口发送给下一跳。

（3）出口LER：MPLS域的出口LER(Egress)接收到空的标记分组后，

读出IP分组的组头，按最终目的地址，将IP分组从指定的端口输出。

3.倒数第二跳弹出PHP

在出口处，EgressLER本应变MPLS转发为IP路由查找，但它收到的

仍旧是含有标记的MPLS报文，按照常规，这个报文应该送交MPLS模块

处理，而此时MPLS模块不需要标记转发，能做的只是去掉标记，然后

送交IP层。其实对于EgressLER，处理MPLS报文是没有意义的。最

好能够保证它直接收到的就是IP报文。这就需要在EgressLER的上游

(倒数第二跳)就把标记给弹出来。关键问题是上游设备如何知道自己是

倒数第二跳呢？其实很简单，在倒数第一跳为其分配标记时做一下特殊

说明即可(如分配一个特殊的标记3)。这就是倒数第二跳弹出

PHP(PenultimateHopPopping)。因为Egress已是目的地址的输出端

口，不再需要对标记分组按标记转发，而是直接读出IP分组组头，将

IP分组传送到最终目的地址。这种处理方式，是保证MPLS全程所有LSR

对需处理的分组只作一次处理，也便于转发功能的分级处理。

下面以图6.16为例分析MPLS工作过程。

假定网络已经建立了图6.16所示的标记映射表，则工作过程为：

①A为入口LER，当接收到一个目的地址为124.222.16.1的IP分组时，

LERA进行IP头分析，分类得到FEC，假设FEC为124.222.16.0/24，

然后执行FTN，将FEC映射到NHLFE，并加上标记L1，从端口E1送往

下一跳B。

②B、C均为LSR，当LSRB/C收到一个携带标记“L1/L2”时，其工作

流程为：

从分组中抽出标记“L1/L2”；

将“L1/L2”作为转发信息库FIB的查询索引，检索该分组所对应的

NHLFE；

用NHLFE中的出口标记“L2/L3”和链路层信息替换分组中原来的标记

“L1/L2”和链路层信息；

将分组从NHLFE中指示的输出接口“E0/E2”发送出去，如果NHLFE中

指定了输出队列，则将其放臵到相应队列中，一个接口可能有多个输出

队列，分别对应不同的服务质量。

③D为出口LER，当LERD接收到空的标记分组后，读出IP分组的组

头，按最终目的地址，将IP分组从指定的端口输出。

1多协议标签交换

多协议标签交换（MPLS,multi-protocollabelswitching）属于第三代网络架构，是新一代IP高速骨干网络交

换的标准，由因特网工程任务组（IETF）提出，由思科、ASCEND、3Com等网络设备厂商主导。

MPLS是集成式的IPoverATM技术（即在帧中继或ATM交换上结合路由功能），数据包通过虚拟电路传

送，只需在OSI第二层（数据链结层）执行硬件式交换（取代第三层（网络层）软件式选路）。它把IP选

路与第二层标签交换整合为单一的系统，因此可解决Internet的路由问题，缩短数据包传送的时延，加快网

络传输速度，适合于多媒体信息传送。MPLS最大的技术特色是可以指定数据包传送的先后顺序，它使用

标签交换（labelswitching），网络路由器只需判别标签，即可进行传送。

MPLS的运作原理是为每个IP数据包提供一个标签，并由此决定数据包的路径及优先级。与MPLS兼容的

路由器在把数据包转送到其路径前，仅读取数据包标签，无需读取每个数据包的IP地址及标头（网络速度

会加快），然后把所传送的数据包置于帧中继或ATM的虚拟电路上，并迅速传送到终点路由器，减少数

据包的时延。同时，按帧中继或ATM交换机提供的Qos，对所传送的数据包加以分级，大幅提升网络服务

品质，提供多样化服务。

2网络的需求

多年以前，人们期盼ATM能做任何事情，随着Internet的发展，人们试图通过ATM传送话音和图像，但

由于ATM自身的一些限制，使它无法适应Internet的高速发展。同时，由于点到点的连接，人们难以承受

其价格高昂和对带宽资源的严重浪费。然而，由于IP网的开放性，人们又很难实现端到端的连接，同时话

音数据包的传输也存在很多问题。因而，把ATM网与IP网合二为一是人们的初衷。

3主要技术的支持

最早采用的方式是IPoverATM，但遇到非常多的问题和困难，如IP地址与ATM地址之间的映射问题。

ATM的优点在于用硬件转发固定长度的包，因为只要看到包头的转发信息就可直接转发，硬把两个协议捆

绑在一起没有成功，也未能推广。后来，一些人试图把两种协议的优势相结合，即把ATM的转发机制与

IP网的寻址和路由机制结合，由此产生IP交换技术，并通过IETF组织推出MPLS协议。

4运营商的需要

尽管网络需求与日俱增，但由于带宽价格大幅下降，使运营商的收入越来越少，对于新兴运营商来说，要

想找到一家投资方，困难自不必说，对于那些身负债务的运营商，也很难有新的资金建造网络。尽管如此，

用户并没有因此而停止对新服务的需求，运营商必须寻求新的服务和技术，才能为用户提供更好更智能化

的服务。因此，尽管遇到种种困难，运营商还在继续投资网络技术。另一方面，运营商投入大量资金建设

骨干网络，但这些骨干网并未被充分利用，网络最后一公里的限制阻碍了信息入户的速度，成为网络发展

的瓶颈。

很多运营商表示，在选择新骨干网时，MPLS将是首选。因此，在未来一段时间内，MPLS将会同ATM、

SDH和DWDM一起，并驾齐驱在骨干网络的大军中，有调查显示，未来几年内，在数据网络的骨干网中，

MPLS技术的发展前景极好，并在未来的欧洲网络市场中占中心地位。这是因为通过分层次服务和新服务，

MPLS将为IP网络带来巨大效益。同时，MPLS能把ATM与IP合并在一起，使网络更简单。

5MPLS的应用领域

MPLS的网络应用主要在三方面：（1）IP网络的Qos；（2）IP网络的流量工程；（3）IP网络的服务功能

（如VPN）。由于地区和运营商各不相同，人们对MPLS三方面的需求也有所侧重。

在美国，发展较快、应用较多的是MPLS在流量工程方面的应用。由于美国的网络历史较长，新老产品同

时用于网络，整个网络的结构如同蜘蛛网，十分复杂。在这种情况下，需要合理地分配不同通路上的流量，

以充分利用网络的已有资源和通路。MPLS在流量工程方面的功能可恰到好处得到利用。

在欧洲、中国等地区和国家，由于IP网的发展相对较晚，但发展速度很快，在这种情况下建立的网络带宽

较高，例如中国新建的网络带宽都在2.5G左右，因此网络流量工程方面的应用不太紧迫。网络服务供应商

把对MPLS提供的增值服务需求提到议事日程上，其中最迫切的是VPN业务，他们希望在IP网上推出帧

中继和ATM虚拟专网服务。

6MPLS发展前景

（1）从骨干走向边缘

MPLS从骨干网走向边缘网已是一种越来越明显的趋势，这一进程将给边缘带来更大带宽、更高智能和更

多服务。在接入网中，利用MPLS技术承载的以太网会使网络更易升级和富有弹性。在每个骨干网中，普

通以太网只能处理4000个VLAN，而MPLS能使每个路由器最多支持100万个标签。因此，边缘路由器厂

商也开始关注MPLS。

（2）替代ATM

当初，人们是在ATM网上提供IP服务。目前，从发展趋势看，人们只希望在IP网上提供类似ATM的服

务。因为目前完全替代ATM还不可能，所以MPLS将在IP网上发展。未来，人们将逐渐把ATM限制在

一小部分有特殊需求的地方，如专网用户租用特定带宽，并在该线路上实现电话和电视会议。

（3）结合底层光设备

从整个网络发展方向来看，在未来的核心网上，所有新运营商在第一时间内建立的骨干Internet网都采用光

结点。MPLS不再单一存在，它将与底层的光设备相辅相成。以前的IP是第一层、第二层和第三层在一起，

现在利用MPLS的基础，IP与底层和光设备结合起来，让不来识别IP路由，即基于IP来驱动光，将来的

网络核心是波长路由。现有网络与未来网络的关系是，现有网络将是未来大网络的接入结点。未来网不会

摒弃现有的技术和产品，而是把它们结合进来，只是所有的应用都要以IP形式来做。