多協議標簽交換（MPLS）是一種用於快速轉發數據包的技術，它的出現就是為了提高轉發效率。因為IP轉發大多靠軟件進行，在轉發的每一跳都要進行至少一次最長匹配查找，操作復雜導致轉發速度比較慢。有些廠商借鑒ATM的轉發方式來簡化IP轉發過程，由此產生了一種結合IP和ATM的優勢於一身的新技術—MPLS。在當時的條件下這可以說是一個很大的創舉，其優勢也是顯而易見的，但后來IP轉發領域有很多新技術產生，如硬件轉發與網絡處理器的出現，導致MPLS的速度優勢體現不出來，純MPLS轉發在實際應用中幾乎沒有用武之地。
雖然MPLS在實際轉發應用中較少用到，但是由於其靈活可擴展，因此出現了許多基於MPLS的新技術，比如BGP/MPLS VPN、流量工程等技術。當前，MPLS越來越受重視，成為當今網絡技術的熱點，還有一些新的應用需求也正在利用MPLS來實現。
1 MPLS基礎概念
MPLS協議處於二層和三層之間，也就是MAC頭和IP報文之間，是一個2.5層的協議。MPLS協議格式如下圖所示：
(圖片來自於：MPLS及LDP協議基礎)
- Label：標簽值，20bit，用於轉發數據。
- Exp：流量等級，也成為TC，3bit。
- S：標志位，表示棧底協議，1bit。
- TTL：存活時間，8bit，與IP報文中的TTL值相似。
MPLS中的一些概念
- FEC：轉發等價類，MPLS將具有相同特征值（目的地址相同或服務等級相同）的報文歸為一類。
- 標簽：本地意義的標識符，用於唯一標識一個報文所屬的FEC，一個標簽代表一個FEC。
- LSP：標簽轉換路徑，同一個FEC在MPLS網絡經過的路徑。
- 標簽轉發表：與IP網絡中的FIB（轉發信息庫）類似，稱為LFIB，LFIB中的信息有InLabel（入標簽）、OutLabel（出標簽）、出接口、操作類型（Pop/Swap）、下一跳等。
MPLS中有控制平面和轉發平面，控制平面負責標簽分配，EFC標簽映射、標簽轉發表建立、LSP建立等，相關的協議LDP、MP-BGP等；轉發平面根據LFIB進行報文的轉發。
MPLS網絡的基本單元是LSR。LSP建立的過程就是標簽和FEC的綁定，在LSR上建立LFIB的過程。LSP分為靜態LSP和動態LSP，靜態LSP就是手動配置LSP的出入標簽、下一跳等，適合網絡拓撲簡單且穩定的小型網絡；動態建立LSP就是基於LDP或者MP-BGP等協議建立的LSP，建立過程是：下游LSR根據目的地址划分FEC，為特定FEC分配標簽，將FEC標簽的綁定關系告知上游LSR，上游LSR根據綁定關系建立LFIB，報文轉發路徑上所有LSR都為該FEC建立轉發表項后，就成功建立了轉發FEC的LSP。
基於MPLS的L2VPN將用戶二層數據封裝成可以在MPLS網絡或IP網絡中傳輸的分組，通過IP路徑或MPLS隧道轉發封裝后的分組，從用戶角度來看，MPLS或IP網絡就是一個二層交換網絡。
一個MPLS報文可以有多個Label，靠近二層頭的Label為棧頂Label，靠近IP報文的Label為棧底Label，LSR執行Label交換時總是基於棧頂Label。有多個Label時，每個Label都包括以上完整的32bit，並不是其它的Label只包括20bit的Label值，如下圖所示：
(圖片來自於：MPLS及LDP協議基礎)
2 MPLS轉發流程
MPLS技術綜合了第二層交換和第三層路由的功能，將第二層的快速交換和第三層的路由有機地結合起來。MPLS網絡邊緣的LER主要完成以下工作：三層路由、分析IP包頭用於決定對應的FEC和標簽交換路徑（LSP），進而標記報文。而在MPLS網絡核心的LSR采用基於標簽的第二層交換，工作相對較簡單。從這里就可以看出MPLS的好處，雖然處在MPLS網絡邊緣的LER工作較復雜，但處在核心的LSR只需要像FR或ATM交換機那樣執行二層交換就可以了，根本不需要最長匹配和多次查找。
典型的MPLS轉發過程如下：
- Step 1： 所有LSR啟用傳統路由協議（OSPF、IS-IS等），在LSR中建立IP路由表
- Step 2： 由LDP結合IP路由表來建立LSP
- Step 3： Ingress LER接收IP包，分析IP包頭並對應到FEC，然后給IP包加上標記，根據標簽轉發表中的LSP將已標記的報文送到相應的出接口。
- Step 4：LSR收到帶有標記的報文，將只分析標記頭，不關注標記頭之上的部分，根據Label頭查找LSP，替換Label，送到相應的出接口
- ……………..(中途轉發過程與Step 4類似)
- Step n-1：倒數第二跳LSR收到帶有標記的報文，查找標記轉發表，發現對應的出口標簽為隱式空標簽或顯式空標簽，彈出標簽，發送IP報文到最后一跳LSR
- Step n：在最后一跳Egress LER上執行三層路由功能，根據報文的目的IP地址轉發
3 LDP協議基礎
LDP協議在[RFC 3036]中詳細定義，LDP的協議報文除Hello報文基於UDP外，其它報文都是在TCP之上，端口號為646。當發生傳輸丟包時，能夠利用TCP協議提供錯誤指示，實現快速響應和恢復。與BGP相似，這種基於TCP的可靠連接使得協議狀態機較為簡單。
LDP報文格式
LDP PDU 頭部
版本號：16bit，目前LDP只有一個版本，版本號始終為1；
PDU長度：為16bit，值為LDP PDU頭部以后的數據部分的長度，不包括LDP PDU頭部；
LDP Id：長度為48bit，前32bit為LSR-ID，后16bit為標記空間標志，全局空間為“0”，局部接口空間為“1”。如：收到的LDP PDU中的LDP-ID為192.168.1.2:0，表示對方的LSR-ID為192.168.1.2，標簽空間為全局空間。
LDP 消息格式
U：這一位總是為“0”，代表可識別的消息，為“1”代表不可識別的消息；
類型域：協議根據這個域識別不同的消息；
長度域：指示出長度域之后的數據部分的長度；
消息ID：用來唯一地標識這個消息，如果消息為Notification，則ID與導致產生Notification的消息ID相關聯。
LDP消息種類
按照功能來划分，LDP消息可分為4種類型消息：
- 鄰居發現消息：在啟用LDP協議的接口上周期性發送該消息
- Hello消息
- 會話建立和維護消息：用來建立和維護LDP會話
- Initialization消息
- KeepAlive消息
- 標簽分發消息：用來請求、通告及撤銷標簽綁定
- Address message
- Address Withdraw message
- Label request message
- Label mapping message
- Label withdraw message
- Label release message
- Label abort request message
- 錯誤通知消息：用來提示LDP對等體在會話過程中的重要事件
- Notification消息
LDP相關概念
標簽空間
可分為全局標簽空間和接口標簽空間，全局標簽空間表示LSR為特定目的地的FEC產生唯一的Label，接口標簽空間表示LSR在每個接口上為特定目的地的FEC產生唯一的Label。在幀模式的鏈路上為全局標簽空間，在信元模式的鏈路上為接口標簽空間。LDP報文中的LDP-ID域中指示出標簽空間值。
上游LSR和下游LSR
對於某FEC（圖示中的IPv4前綴）來說，C是B的下游路由器，A是B的上游路由器
倒數第二條彈出
在實際應用當中（如MPLS VPN），對於Egress LSR在彈出最外層Label后還需要進行其它較復雜的三層工作。而事實上最外層標簽的作用在MPLS VPN的應用中只是為了將報文送到Egress LSR。因此，在倒數第二跳LSR已知報文下一跳的情況下，可以將最外層的標簽彈出后轉發到最后一跳LER，而不必進行標簽替換。這樣使得最后一跳LSR的工作相對簡單了一些。因此在 [RFC 3032] 中規定，最后一跳LSR發給倒數第二跳LSR的標簽為隱式空標簽“3”。據此，收到標簽“3”的上游LSR就知道自己是該FEC的倒數第二跳，就知道自己在用該LSP轉發Label報文時，應執行倒數第二跳彈出。
（倒數第二跳彈出）
標簽分發方式
1 DU（Downstream Unsolicited）
下游LSR如果工作在DU方式（下游主動分發）下將根據某一觸發策略向上游LDP鄰居主動分發標簽。下圖中LSR-C標簽分發觸發策略是為直連32位掩碼的路由分配標簽，因此LSR-C通過Label mapping message向上游LDP鄰居主動通告自己的直連路由172.16.1.1/32的標簽，Comware系統缺省工作在DU方式。
2 DOD（Downstream On Demand）
下游LSR如果工作在DOD方式（下游按需分發）下，只有在接收到上游LDP鄰居的Label request message后才回應Label mapping message分發標簽（針對標記請求消息所指定的FEC）。下圖中LSR-C工作在DOD模式下，LSR-A的觸發策略生效（LSR-A轉發到172.16.1.0/24的報文流量達到設定閥值）后將向172.16.1.0/24的下游發送標記請求消息Label request message（請求172.16.1.0/24的標簽）。最終LSR-C收到請求，發送Label mapping message響應。
標簽控制協議
1 獨立控制方式
LSR如果工作在獨立控制方式下，如果標簽分發方式是DU，即使在沒有獲得下游標簽的情況下也會直接向上游分發標簽。在標簽控制的方式上顯得很“獨立”，不依賴下游LSR；如果標簽分發方式是DOD，發送標簽請求的LSR的直連上游LSR會直接回應標簽，而不必等待來自最終下游的標簽。
在上圖中，在LSR-B上采用獨立控制方式。LSR-B路由表中有172.16.1.0/24的路由，但沒有收到下游來的標簽綁定。由於LSR-B工作於獨立控制方式，所以對路由表中的所有路由都向上游發送標簽。繼而，無論LSR-A工作在獨立模式還是有序模式，將向上游繼續發送標簽。這時，如果有目的IP為172.16.1.0/24的報文進入LSR-A，它將采用MPLS轉發。但數據到LSR-B后，由於沒有關聯172.16.1.0/24的LSP，所以采用傳統IP轉發。
2 有序控制方式（Odered）
LSR如果工作在有序控制方式下，如果標簽分發模式為DU，則只有收到下游LSR分發的標簽時才會向自己的上游LSR通告標簽，如果沒有收到下游的標簽映射則不向上游LSR通告。Comware系統缺省工作在有序方式。
在上圖中，LSR-B路由表中有172.16.1.0/24的路由，但由於LSR-B沒有收到下游的標簽且工作在有序模式，因而不向上游通告關於172.16.1.0/24的Label。如果LSR-A收到目的IP為172.16.1.0/24的報文將采用傳統IP轉發。可以看出，在有序控制方式下，是否向上游LSR分發標簽取決於自己是否收到下游LSR的標簽。
標簽保留方式
1 自由保留方式
收到無效的Label通告后（沒有對應的IP路由或路由通告與Label通告的下一跳不一致），雖然不生成LSP，但在標簽綁定表里存儲，並且LSR向上游通告其它FEC的Label綁定時也不占用這些標簽，這種方式的優點是LSR應對網絡拓撲變化的響應較快，缺點是浪費標簽，所有不能生成LSP的Label通告都需要保留。
在上圖中LSR-A工作於自由保留方式，對於FEC為172.16.1.0/24將生成下一跳為LSR-B的LSP，LSR-C發來的Label通告將保留。如LSR-A和LSR-B之間的直連鏈路down掉，對於FEC：172.16.1.0/24的將很快生成下一跳為LSR-C的LSP。
2 保守保留方式
工作於保守保留模式的LSR收到無效的Label通告后將不存放到標簽綁定表里，在向上游通告Label時可以自由使用這些標簽。保守保留模式的缺點是對拓撲變化的響應較慢，優點是節省標簽。
在上圖中，LSR-A工作於保守保留模式，對於FEC為172.16.1.0/24將生成下一跳為LSR-B的LSP，LSR-C發來的Label通告將不保留。如LSR-A和LSR-B之間的直連鏈路down掉，對於FEC：172.16.1.0/24將不能很快生成下一跳為LSR-C的LSP。
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參考：