4.9.1MPLS的工作原理

一、MPLS基本工作原理

MPLS（Multiprotocol Label Switching）是一種介于數據鏈路層和網絡層之間的轉發技術，通過固定長度的標簽進行高速數據轉發。其核心特點是通過預建立的標簽交換路徑（Label Switching Path, LSP）實現優化路由。

關鍵角色：

1. LER（標簽邊緣路由器）
   • 入口LER（Ingress LER）：壓入（Push）初始標簽
   • 出口LER（Egress LER）：彈出（Pop）標簽
2. LSR（標簽交換路由器）：根據標簽轉發表進行標簽交換

二、工作流程

控制面：

數據面：

三、核心處理機制

1. 標簽壓入（Push）

   • 入口LER收到IP包后：
     

2. 標簽交換（Swap）

   • 中間LSR根據標簽轉發表：

     輸入標簽20 → 輸出標簽30，接口Gi0/1
     

3. 標簽彈出（Pop）

   • 出口LER移除標簽恢復原始IP包

四、標簽格式

五、MPLS關鍵特性

1. 轉發優勢：

   • 基于固定長度標簽的硬件轉發（對比IP的最長前綴匹配）
   • 典型轉發速度：100ns級 vs 傳統路由器1μs級

2. 服務支持：

   • 流量工程（避免網絡擁塞）
   • QoS服務等級保障
   • VPN跨域互連

六、典型應用場景

七、與傳統IP轉發對比

特性	傳統IP轉發	MPLS轉發
轉發依據	目標IP地址	固定長度標簽
轉發方式	逐跳路由	預建立LSP路徑
流量控制	基本路由選擇	支持流量工程
包頭解析層次	網絡層（IP頭）	數據鏈路層與網絡層之間

這種基于標簽的交換機制使得MPLS在大型運營商網絡和企業骨干網中廣泛應用，特別適合需要服務質量保障和流量優化的場景。通過預建立的LSP路徑，可以有效避免網絡擁塞并實現快速故障恢復。

4.9.2MPLS首部的位置與格式

一、MPLS首部的位置

MPLS首部位于數據鏈路層（如以太網）首部和網絡層（如IPv4/IPv6）首部之間，它用于標簽交換，是MPLS網絡中數據包轉發的核心標識。

1. 數據包封裝結構：

在MPLS網絡中，數據包的封裝順序如下（以以太網為例）：

[ 以太網頭 | MPLS標簽頭 | IP頭 | 數據 ]

• 數據鏈路層首部（如以太網幀頭）：標識鏈路層信息（MAC地址等）。
• MPLS標簽頭：添加的標簽，用于標識轉發路徑。
• 網絡層首部（如IPv4/IPv6）：原始IP頭。

2. 典型場景示意圖：

二、MPLS首部的格式

MPLS首部長度固定為 32位（4字節），由以下字段組成：

字段名	長度（位）	描述
Label	20	標簽值，標識轉發路徑（范圍：0-1048575）。
TC	3	流量類別（Traffic Class），用于服務質量（QoS）優先級控制。
S（Bottom of Stack）	1	棧底標志：1表示當前是最后一個標簽，0表示后續還有更多標簽（多層標簽棧）。
TTL	8	生存時間，與IP頭的TTL類似，每經過一個路由器減1，防止環路。

1. 首部結構示意圖：

2. 關鍵字段說明：

• Label（標簽值）：
  • 標簽的取值范圍為 0 到 2^20-1（即 0-1048575）。
  • 特殊標簽（如隱式空標簽3、顯式空標簽0）有特定用途。
• TC（流量類別）：
  • 用于標記流量優先級，常見的應用是區分服務（DiffServ）模型。
• S（棧底標志）：
  • 當多層標簽棧存在時（如VPN或流量工程），此標志指明是否為最后一層標簽。
• TTL（生存時間）：
  • 初始值為IP頭TTL的一部分，或直接賦值。每經一跳減1，防止環路。

三、MPLS標簽棧（多層標簽）

在實際場景中（如VPN或跨域流量），數據包可能攜帶多層MPLS標簽，形成 標簽棧。
示例結構：

[ 以太網頭 | 外層MPLS標簽頭 | 內層MPLS標簽頭 | IP頭 | 數據 ]

• 外層標簽（S=0）標識轉發路徑，交換機根據外層標簽轉發。
• 內層標簽（S=1）標識應用場景（如VPN實例）。

流程示意圖：

四、MPLS網絡中的操作

1. 壓入（Push）：入口路由器為數據包添加標簽。
2. 交換（Swap）：核心路由器根據標簽轉發表修改標簽值。
3. 彈出（Pop）：出口路由器刪除標簽，還原原始IP包。

五、MPLS vs 傳統IP路由對比

特性	MPLS標簽交換	傳統IP路由
轉發依據	標簽值	目的IP + 路由表
效率	硬件快速匹配固定長度標簽	逐跳匹配IP地址（較慢）
功能擴展	支持流量工程、VPN、QoS	功能有限

4.9.3新一代的MPLS

新一代MPLS的核心改進方向

現代MPLS演進的主要方向：

1. SR-MPLS（Segment Routing MPLS）
   通過引入段路由技術，簡化傳統MPLS的標簽分配流程，原生支持流量工程和快速故障恢復。
2. SDN與MPLS的結合
   通過SDN控制器集中化管理標簽路徑，提高網絡靈活性。
3. 服務增強
   支持更細粒度的QoS、低延遲轉發（如5G承載網中的uFRR）。
4. 虛擬化支持
   以MPLS為基礎構建靈活疊加的網絡架構（如EVPN over MPLS）。

新一代MPLS的關鍵技術細節

1. SR-MPLS的工作原理

SR通過“路徑分段”代替傳統的LDP/RSVP協議，標簽由控制器或頭節點統一分配：

• Segment（段）：分為前綴段（Node/Adjacency Segments）、綁定段（Binding Segments）。
• 標簽生成：由入口節點（Ingress）直接指定路徑的段列表（Label Stack）。
• 優勢：避免分布式協議的開銷，支持短路徑和顯式路徑。

流程圖示例（SR-MPLS標簽分配與轉發）：

2. MPLS與SDN的融合架構

通過集中控制取代傳統分布式信令協議（如LDP）的標簽分配：

• SDN控制器：計算最優路徑，下發Flow Rule到LSR（標簽交換路由器）。
• 轉發表簡化：僅需按控制器指示匹配標簽，無需維護復雜的路由協議狀態。

架構圖示例（SDN+MPLS）：

3. 流量工程（MPLS-TE）的優化

新一代MPLS在流量工程中的改進：

• 動態帶寬調整：根據實時流量需求重優化路徑。
• 低延遲路徑：通過顯式路徑配置。

流程示意圖（動態流量調整）：

4. MPLS在虛擬化網絡中的應用（如EVPN）

通過MPLS構建疊加網絡，支持多租戶虛擬化（如云計算數據中心互聯）：

• EVPN over MPLS：BGP協議分發MAC地址+MPLS標簽。
• 標簽代表VXLAN VNI，實現跨數據中心的二層互通。

轉發邏輯圖（EVPN over MPLS）：

與傳統MPLS的核心對比

特性	傳統MPLS	新一代MPLS
標簽分發協議	LDP/RSVP-TE	Segment Routing/SDN
控制平面	分布式協議	集中式SDN控制器
故障恢復速度	秒級（依賴協議收斂）	毫秒級（快速重路由）
流量工程能力	靜態路徑配置	動態實時優化
編程靈活性	僅支持預定義策略	可編程路徑（P4/OpenFlow）