MPLS (Multiprotocol Label Switching)多协议标签交换是一种IP骨干网技术。MPLS 位于TCP/IP协议栈中的链路层和网络层之间，用于向IP层提供连接服务，同时又从链路层得到服务。

MPLS在无连接的IP网络上引入面向连接的标签交换概念，将第三层路由技术和第二层交换技术相结合，充分发挥了IP路由的灵活性和二层交换的简捷性。多协议指的是可以支持多种网络协议(IPv6、IPX、CLNP等)，所以MPLS并不是一种业务或者应用，它是一种隧道技术，它支持多种高层协议与业务，而且在一定程度上可以保证数据传输的安全性。

1.MPLS的产生背景

传统的IP技术简单，且部署成本低，但由于硬件技术存在限制，基于最长匹配算法的IP技术必须使用软件查找路由，转发性能低下。为了适应网络的发展，ATM (Asynchronous Transfer Mode)异步传输模式技术应运而生。ATM采用定长标签(即信元)，并且只需要维护比路由表规模小得多的标签表，能够提供比IP路由方式高得多的转发性能。MPLS结合了IP与ATM的优点而产生。

2.MPLS基本网络结构

MPLS基于标签进行转发。

标签交换路由器LSR（Label Switching Router）：进行MPLS标签交换和报文转发的网络设备。

MPLS域（MPLS Domain）：由LSR构成的网络区域。

边缘路由器LER（Label Edge Router）：位于MPLS域边缘、连接其他网络的LSR。

核心LSR（Core LSR）：区域内部的LSR。

IP报文进入MPLS网络时，MPLS入口的LER会分析IP报文的内容并且为这些IP报文添加合适的标签，所有MPLS网络中的LSR根据标签转发数据。当该IP报文离开MPLS网络时，标签由出口LER弹出。IP报文在MPLS网络中经过的路径称为标签交换路径LSP（Label Switched Path）。LSP是一个单向路径，与数据流的方向一致。

如上图，LSP的入口LER称为入节点（Ingress）；位于LSP中间的LSR称为中间节点（Transit）；LSP的出口LER称为出节点（Egress）。一条LSP可以有0个、1个或多个中间节点，但有且只有一个入节点和一个出节点。根据LSP的方向，MPLS报文由Ingress发往Egress，则Ingress是Transit的上游节点，Transit是Ingress的下游节点。同理，Transit是Egress上游节点，Egress是Transit的下游节点。

3.转发等价类FEC

MPLS将具有相同特征的报文归为一类，称为转发等价类FEC（Forwarding Equivalence Class）。属于相同FEC的报文在转发过程中被LSR以相同方式处理。

FEC可以根据源地址、目的地址、源端口、目的端口、VPN等要素进行划分。例如，在传统的采用最长匹配算法的IP转发中，到同一条路由的所有报文就是一个转发等价类。

4. MPLS的体系结构

MPLS的体系结构如下图所示，它由控制平面（Control Plane）和转发平面（Forwarding Plane）组成。

1）控制平面：负责产生和维护路由信息以及标签信息。控制平面包括路由信息表RIB、标签分发协议LDP、标签信息表LIB。

-路由信息表RIB：由IP路由协议生成，用于选择路由。

-标签分发协议LDP：负责标签的分配、标签转发信息表的建立、标签交换路径的建立/拆除等工作。

-标签信息表LIB：由标签分发协议生成，用于管理标签信息。

2）转发平面(数据平面)：负责普通IP报文的转发以及带MPLS标签报文的转发。转发平面包括转发信息表FIB、标签转发信息表LFIB。

-转发信息表FIB：从RIB提取必要的路由信息生成，负责普通IP报文的转发。

-标签转发信息表LFIB：由标签分发协议LDP在LSR上建立LFIB，负责带MPLS标签报文的转发。

5. MPLS的报文结构

MPLS报文与普通的IP报文相比增加了MPLS报头信息（4个字节），MPLS报头封装在链路层和网络层之间，可以支持任意的链路层协议。

Label：标签值域，20bit。是一个短而定长的、只具有本地意义的标识符，用于唯一标识一个分组所属的FEC。

Exp：用于扩展，3bit。标识MPLS 的优先级，现在通常用做CoS（Class of Service），当设备阻塞时，优先发送优先级高的报文。

S：栈底标识，1bit。MPLS支持多层标签，即标签嵌套。S值为1时表明为最底层标签。

TTL：8bit。与IP报文中的TTL（Time To Live）意义相同，防止报文环路。

6.MPLS对TTL的处理模式

MPLS 对TTL的处理除了用于防止产生路由环路外，也用于实现Traceroute 功能。

RFC3443 中定义了两种MPLS 对TTL 的处理模式：Uniform(统一模式) 和Pipe(管道模式)。

1）Uniform模式：IP报文经过MPLS网络时，在入节点IP TTL减1映射到MPLS TTL字段，此后报文在MPLS网络中按照标准的TTL处理方式处理。在出节点将MPLS TTL减1后映射到IP TTL字段。（此方法可知数据包经过了几跳，缺省情况下，MPLS 对TTL 的处理模式为Uniform）

2）Pipe模式：IP TTL只在入节点和出节点分别减1，而MPLS TTL字段为固定值，按照标准的TTL处理方式处理。（在MPLS VPN应用中，出于网络安全的考虑，需要隐藏MPLS骨干网络的结构，这种情况下，对于私网报文，Ingress上使用Pipe模式。）

7.标签交换路径LSP的建立

MPLS需要为报文事先分配好标签，建立一条LSP，才能进行报文转发。LSP分为静态LSP和动态LSP两种。

1）静态LSP：用户通过手工方式为各个转发等价类分配标签建立转发隧道。

特点：

a）静态LSP各节点上不能相互感知到整个LSP的情况，因此静态LSP是一个本地的概念；

b）静态LSP不使用标签发布协议，不需要交互控制报文，因此资源消耗小，适用于拓扑结构简单并且稳定的小型网络；

c）静态LSP不能根据拓扑变化调整，需要管理员干预。

2）动态LSP：通过标签发布协议动态建立转发隧道。

特点：

a）动态LSP通过LDP协议实现对FEC的分类、对标签的分配以及LSP的建立和维护；

b）动态LSP组网配置简单，易于管理和维护；

c）动态LSP能及时反映网络状态。

8.MPLS的基本转发过程

在MPLS基本转发过程中会涉及到标签压入（Push）、标签交换（Swap）和标签弹出（Pop）等动作。

Push：当IP报文进入MPLS域时，MPLS边界设备在报文二层首部和IP首部之间插入一个新标签；或者MPLS中间设备根据需要，在标签栈顶增加一个新的标签（即标签嵌套封装）。

Swap：当报文在MPLS域内转发时，根据标签转发表，用下一跳分配的标签，替换MPLS报文的栈顶标签。

Pop：当报文离开MPLS域时，将MPLS报文的标签剥掉。

在最后一跳节点，标签已经没有使用价值。这种情况下，可以利用倒数第二跳弹出特性PHP（Penultimate Hop Popping），在倒数第二跳节点处将标签弹出，减少最后一跳的负担。最后一跳节点直接进行IP转发或者下一层标签转发。默认情况下，设备支持PHP特性，支持PHP的Egress节点分配给倒数第二跳节点的标签值为3。

以支持PHP的LSP为例，说明MPLS基本转发过程。

如上图所示，MPLS标签已分发完成，建立了一条LSP，其目的地址为4.4.4.2/32。则MPLS基本转发过程如下：

1）Ingress节点收到目的地址为4.4.4.2的IP报文，压入标签Z并转发。

2）Transit节点收到该标签报文，进行标签交换，将标签Z换成标签Y。

3）倒数第二跳Transit节点收到带标签Y的报文。因为Egress分给它的标签值为3，所以进行PHP操作，弹出标签Y并转发报文。从倒数第二跳转发给Egress的报文以IP报文形式传输。

4）Egress节点收到该IP报文，将其转发给目的地4.4.4.2/32。