【TCP/IP】19. 多协议标签交换（MPLS）

19. 多协议标签交换（MPLS）

19.1 多协议标签交换（MPLS）概述

MPLS 是 IETF 为解决传统路由器网络的缺陷（服务质量难以保证、扩展性差）而提出的标准化 IP 交换技术，融合了网络层选路和标签交换的优势，实现高效、可扩展的网络传输。

1. MPLS 的提出背景
   传统路由器网络存在两大缺陷：
   • 业务服务质量（QoS）难以保证；
   • 网络扩展性差（随规模增长，路由计算和转发效率下降）。
     早期技术（如 LANE、MPOA、IP 交换）仅解决部分问题，缺乏标准化。IETF 综合各厂家技术，提出 MPLS，实现跨厂商设备互操作。
2. MPLS 的核心目标与优点
   • 目标：开发综合选路和交换的标准，兼顾 IP 的灵活性和交换的高效性。
   • 优点：
     1）改善选路性能和成本（减少逐跳路由查找，提高转发效率）；
     2）提高传统叠加模型的扩展性（支持大规模网络和多业务）；
     3）灵活引入新业务（如 VPN、QoS 保障等）。
3. MPLS 的核心技术基础
   • 采用IP 寻址和动态 IP 选路（如 OSPF、BGP）；
   • 通过标签分发协议（LDP） 将 “转发等价类（FEC）” 映射为标签，形成标签交换路径（LSP）；
   • 支持多链路层（不限于 ATM），可运行在以太网、ATM 等多种介质上；
   • 支持虚拟专用网（VPN）服务，包括第二层、第三层 VPN 及 BGP/MPLS VPN。

19.2 MPLS 体系结构

MPLS 网络以 “标签交换” 为核心，通过分层的路由器结构和协议栈实现高效转发和灵活控制。

1. 核心构成单元：标签交换路由器（LSR）
   MPLS 网络的基本单元是 LSR，按功能分为两类：

   • 边缘 LSR（LER，Labeled Edge Router）：

     位于 MPLS 域（由 LSR 组成的网络）边缘，负责连接 MPLS 域与非 MPLS 域（如传统 IP 网络）。

     核心功能：

     • 分析进入 MPLS 域的 IP 分组首部，对业务进行分类；
     • 为分组分配标签（作为入口 LER）或剥离标签（作为出口 LER）；
     • 维护与非 MPLS 域的路由衔接。

   • 核心 LSR：

     位于 MPLS 域内部，可由 ATM 交换机升级（ATM-LSR）或专用设备实现。

     核心功能：

     • 执行标签交换（根据标签转发表替换分组的标签）；
     • 参与标签分发，维护标签与 FEC 的绑定关系；
     • 不处理 IP 分组首部（仅基于标签转发），提高转发效率。

2. MPLS 协议栈
   MPLS 协议栈分为控制层面和数据层面，两者独立运行：

   • 控制层面：负责建立和维护标签交换路径（LSP），核心协议包括：
     • 标签分发协议（LDP）：基础标签分发，建立无约束的 LSP；
     • 基于约束的 LDP（CR-LDP）：支持带约束（如带宽、延迟）的 LSP 建立；
     • 资源预留协议（RSVP）及扩展（RSVP-TE）：支持流量工程（TE）和 QoS 约束的 LSP 建立。
       控制层面还需运行第三层路由协议（如 OSPF、BGP），用于生成路由表，为标签绑定提供依据。
   • 数据层面：负责基于标签的分组转发，通过标签转发表（由控制层面生成）快速转发分组，无需逐跳解析 IP 首部。

3. MPLS 的核心技术特征

   • 融合第三层选路（IP 路由）和第二层交换（标签转发），兼顾灵活性和高效性；
   • 支持多种 QoS 模型（集成业务 IntServ、区分业务 DiffServ）和流量工程（优化网络资源分配）；
   • 可运行在任意数据链路层（以太网、ATM 等），不依赖特定物理介质。

19.3 MPLS 核心组件

MPLS 的功能实现依赖多个关键组件，各组件协同完成标签分发、路径建立和分组转发。

1. 标签（Label）

   • 定义：一个短固定长度（4 字节）的字段，用于标识分组所属的 FEC，实现快速转发。

   • 结构（从高位到低位）：

     字段	位数	含义
     标签值	20	唯一标识 FEC 的数值（0-1048575），其中 0-15 为保留值（如 0 表示 “IPv4 显式空标签”）。
     Exp	3	实验字段，用于携带 QoS 优先级（如 DiffServ 的 DSCP）。
     S（栈底）	1	置 1 表示当前标签是标签栈的最后一层（栈底）。
     TTL	8	生存时间，与 IP 首部 TTL 作用一致，防止分组环路。

   • 位置：位于链路层首部与网络层分组之间（如以太网帧首部与 IP 首部之间），不影响原有网络层协议。

2. 标签栈（Label Stack）

   • 定义：多个标签按顺序组成的栈结构，每个标签对应不同层级的 FEC。
   • 功能：支持分级选路（如骨干网与接入网的嵌套转发），可将多个 LSP 汇聚到一个中继 LSP，提高转发效率。

3. 转发等价类（FEC）

   • 定义：具有相同转发处理方式（如相同路径、相同 QoS）的一组 IP 分组，是 MPLS 的核心转发单位。
   • 划分依据：可基于目的 IP 地址、源 IP 地址、协议类型、端口号等，由网络管理员或路由协议动态定义。
   • 作用：同一 FEC 的分组被映射到相同标签，简化转发逻辑（无需逐一分组解析首部）。

4. 标签交换路径（LSP）

   • 定义：从入口 LER 到出口 LER 的一条 “标签转发通道”，由一系列 LSR 通过标签绑定和分发形成。
   • 特点：单向路径（从源到目的），一旦建立，分组沿 LSP 转发时仅需替换标签，无需重新计算路由。

5. 标签信息库（LIB）

   • 定义：LSR 中存储的 “FEC - 标签 - 端口” 映射表，记录标签与转发信息的关联。
   • 内容：包括入标签、出标签、入端口、出端口、下一跳 LSR、链路层封装信息等，是标签交换的依据。

6. 流束（Stream）与流束合并

   • 流束：属于同一 FEC 的一组分组流，包含一个或多个细粒度流（如单个 TCP 连接）。
   • 流束合并：将多个小流束合并为一个大流束（如 ATM 的 VP/VC 合并），减少标签数量和转发复杂度，提高资源利用率。

7. 标签分发协议（LDP）

   • 定义：LSR 之间交换 “FEC - 标签” 绑定信息的控制协议，是建立 LSP 的核心机制。
   • 作用：协调相邻 LSR 的标签绑定，确保同一 FEC 在路径上的标签序列一致，形成连续的 LSP。

19.4 标签分发协议与 LSP 建立

标签分发是 MPLS 的核心控制过程，通过特定协议协调标签绑定，建立 LSP。

1. 主要标签分发协议
   MPLS 支持三种核心标签分发协议，用于不同场景：

   • 基本标签分发协议（LDP）：适用于无约束的 LSP 建立，基于 IP 路由表动态映射 FEC 与标签。
   • 基于约束的 LDP（CR-LDP）：支持带约束（如带宽、延迟）的 LSP，结合 QoS 路由实现流量工程。
   • 流量工程扩展 RSVP（RSVP-TE）：基于 RSVP 协议扩展，支持显式路径、带宽预留等流量工程需求，常用于 QoS 保障场景。

2. 标签分发的关键概念

   • 1. 绑定方式：
     • 本地绑定：LSR 自主决定 “FEC - 标签” 的映射关系（标签由本地分配）。
     • 远程绑定：LSR 根据相邻 LSR（上游或下游）发送的绑定信息，采用其分配的标签（标签由远程决定）。
   • 2. 方向绑定：
     • 上游绑定：LSR 的入端口采用远程绑定（使用上游 LSR 分配的标签），出端口采用本地绑定（分配本地标签给下游）。
     • 下游绑定：LSR 的入端口采用本地绑定（分配本地标签给上游），出端口采用远程绑定（使用下游 LSR 分配的标签）。
   • 3. 提供方式：
     • 按需提供：LSR 仅在收到上游 LSR 的标签请求后，才分配标签并返回绑定信息。
     • 主动提供：LSR 在路由表稳定后，主动向下游 LSR 发送 “FEC - 标签” 绑定信息，无需等待请求。
   • 4. 建立方式：
     • 有序方式：LSR 需收到下游 LSR 的标签绑定信息后，才向上游发送自己的绑定信息（确保路径连续性）。
     • 独立方式：LSR 无需等待下游信息，自主建立绑定并向上游发送（可能导致路径断裂，需后续修复）。
   • 5. 触发方式：
     • 数据驱动：当有实际数据需要传输时，才触发 LSP 建立（按需建立，节省资源）。
     • 拓扑驱动：根据路由表拓扑变化（如链路 up/down）主动建立 LSP（提前就绪，减少数据传输延迟）。

3. LSP 建立过程（下游按需有序方式）
   以典型场景为例，步骤如下：

   1. 出口 LER（如 LSR4）为特定 FEC 分配本地标签（本地绑定），并将 “FEC - 标签” 绑定信息发送给上游 LSR（如 LSR3）；
   2. LSR3 收到绑定信息后，采用远程绑定（使用 LSR4 分配的标签作为出标签），同时为该 FEC 分配本地入标签，发送绑定信息给上游 LSR2；
   3. 依次向上游传递，直至入口 LER（如 LSR1），形成从 LSR1→LSR2→LSR3→LSR4 的 LSP；
   4. 数据传输时，入口 LER 为分组打上标签，后续 LSR 按标签转发表替换标签，出口 LER 剥离标签，恢复原始 IP 分组。

4. LDP 协议格式

   • LDP PDU（协议数据单元）：用于交换标签绑定信息，格式包括：
     • 版本号（当前为 1）；
     • PDU 长度（不含版本和长度字段）；
     • LDP 标识（4 字节 LSR IP 地址 + 2 字节标签空间，唯一标识发送方）；
     • 信息字段（包含标签映射、请求、释放等信息，格式为 “类型 - 长度 - 值”）。

19.5 MPLS 的典型应用服务

MPLS 凭借其面向连接的特性和灵活的标签机制，支持多种网络服务，广泛应用于骨干网和企业网。

1. 流量工程（TE）
   • 通过 CR-LDP 或 RSVP-TE 建立符合约束（如带宽、延迟）的 LSP，优化网络资源分配，避免链路拥塞，提高带宽利用率。
2. 服务质量（QoS）保障
   • 结合 DiffServ（通过标签的 Exp 字段携带优先级）或 IntServ（通过 RSVP-TE 预留资源），为不同业务（如语音、视频）提供差异化转发待遇，保证实时性和低丢包率。
3. 虚拟专用网（VPN）
   • 支持第二层 VPN（基于 MPLS 隧道承载以太网、帧中继等二层协议）和第三层 VPN（基于 BGP/MPLS，通过标签隔离不同 VPN 流量），实现企业分支机构间的安全通信，简化网络配置。
4. 与 ATM 集成
   • 将 MPLS 标签映射为 ATM 的 VPI/VCI，利用 ATM 的硬件交换能力提升转发效率，同时保留 MPLS 的 IP 路由灵活性，实现 IP 与 ATM 的无缝融合。
5. IP 组播
   • 通过标签为组播流建立专用 LSP，简化组播路由计算，提高组播数据的转发效率，支持大规模组播业务（如视频会议）。
6. 通用 MPLS（GMPLS）
   • 扩展 MPLS 至光网络、时分复用（TDM）等领域，支持多种传输技术（如波长、时隙）的标签交换，实现多层面网络的统一控制。
7. 无线移动通信网应用（WMPLS）
   • 为移动通信网（如 4G/5G）提供移动性支持，通过标签快速切换 LSP，保证用户漫游时的连接连续性和 QoS。
8. 支持移动 IP
   • 结合移动 IP 技术，通过 MPLS 隧道转发移动节点的数据包，减少三角路由时延，提升移动场景下的传输效率。

本章要点

• MPLS 是融合 IP 选路和标签交换的标准化技术，解决传统路由器网络的 QoS 和扩展性问题，核心是通过 “标签” 简化转发。
• 体系结构以 LSR 为核心，分为边缘 LER（连接非 MPLS 域）和核心 LSR（标签交换），协议栈分控制层面（LDP 等协议）和数据层面（标签转发）。
• 核心组件包括标签（4 字节，含标签值、Exp 等）、FEC（转发等价类）、LSP（标签交换路径）、LIB（标签信息库）等，标签分发通过 LDP 等协议实现。
• 标签分发涉及多种绑定和建立方式，LSP 建立需协调相邻 LSR 的标签绑定，确保路径连续。
• 应用广泛，包括流量工程、QoS、VPN、组播、与多网络技术集成等，是骨干网和企业网的核心技术之一。