4.9.1MPLS的工作原理
一、MPLS基本工作原理
MPLS（Multiprotocol Label Switching）是一种介于数据链路层和网络层之间的转发技术，通过固定长度的标签进行高速数据转发。其核心特点是通过预建立的标签交换路径（Label Switching Path, LSP）实现优化路由。
关键角色：
- LER（标签边缘路由器）
- 入口LER（Ingress LER）：压入（Push）初始标签
- 出口LER（Egress LER）：弹出（Pop）标签
- LSR（标签交换路由器）：根据标签转发表进行标签交换
二、工作流程
控制面：
数据面：
三、核心处理机制
-
标签压入（Push）
- 入口LER收到IP包后：
- 入口LER收到IP包后：
-
标签交换（Swap）
-
中间LSR根据标签转发表：
输入标签20 → 输出标签30，接口Gi0/1
-
-
标签弹出（Pop）
- 出口LER移除标签恢复原始IP包
四、标签格式
五、MPLS关键特性
-
转发优势：
- 基于固定长度标签的硬件转发（对比IP的最长前缀匹配）
- 典型转发速度：100ns级 vs 传统路由器1μs级
-
服务支持：
- 流量工程（避免网络拥塞）
- QoS服务等级保障
- VPN跨域互连
六、典型应用场景
七、与传统IP转发对比
| 特性 | 传统IP转发 | MPLS转发 |
|---|---|---|
| 转发依据 | 目标IP地址 | 固定长度标签 |
| 转发方式 | 逐跳路由 | 预建立LSP路径 |
| 流量控制 | 基本路由选择 | 支持流量工程 |
| 包头解析层次 | 网络层（IP头） | 数据链路层与网络层之间 |
这种基于标签的交换机制使得MPLS在大型运营商网络和企业骨干网中广泛应用，特别适合需要服务质量保障和流量优化的场景。通过预建立的LSP路径，可以有效避免网络拥塞并实现快速故障恢复。
4.9.2MPLS首部的位置与格式
一、MPLS首部的位置
MPLS首部位于数据链路层（如以太网）首部和网络层（如IPv4/IPv6）首部之间，它用于标签交换，是MPLS网络中数据包转发的核心标识。
1. 数据包封装结构：
在MPLS网络中，数据包的封装顺序如下（以以太网为例）：
[ 以太网头 | MPLS标签头 | IP头 | 数据 ]
- 数据链路层首部（如以太网帧头）：标识链路层信息（MAC地址等）。
- MPLS标签头：添加的标签，用于标识转发路径。
- 网络层首部（如IPv4/IPv6）：原始IP头。
2. 典型场景示意图：
二、MPLS首部的格式
MPLS首部长度固定为 32位（4字节），由以下字段组成：
| 字段名 | 长度（位） | 描述 |
|---|---|---|
| Label | 20 | 标签值，标识转发路径（范围：0-1048575）。 |
| TC | 3 | 流量类别（Traffic Class），用于服务质量（QoS）优先级控制。 |
| S（Bottom of Stack） | 1 | 栈底标志：1表示当前是最后一个标签，0表示后续还有更多标签（多层标签栈）。 |
| TTL | 8 | 生存时间，与IP头的TTL类似，每经过一个路由器减1，防止环路。 |
1. 首部结构示意图：
2. 关键字段说明：
- Label（标签值）：
- 标签的取值范围为
0到2^20-1（即 0-1048575）。 - 特殊标签（如隐式空标签
3、显式空标签0）有特定用途。
- 标签的取值范围为
- TC（流量类别）：
- 用于标记流量优先级，常见的应用是区分服务（DiffServ）模型。
- S（栈底标志）：
- 当多层标签栈存在时（如VPN或流量工程），此标志指明是否为最后一层标签。
- TTL（生存时间）：
- 初始值为IP头TTL的一部分，或直接赋值。每经一跳减1，防止环路。
三、MPLS标签栈（多层标签）
在实际场景中（如VPN或跨域流量），数据包可能携带多层MPLS标签，形成 标签栈。
示例结构：
[ 以太网头 | 外层MPLS标签头 | 内层MPLS标签头 | IP头 | 数据 ]
- 外层标签（S=0）标识转发路径，交换机根据外层标签转发。
- 内层标签（S=1）标识应用场景（如VPN实例）。
流程示意图：
四、MPLS网络中的操作
- 压入（Push）：入口路由器为数据包添加标签。
- 交换（Swap）：核心路由器根据标签转发表修改标签值。
- 弹出（Pop）：出口路由器删除标签，还原原始IP包。
五、MPLS vs 传统IP路由对比
| 特性 | MPLS标签交换 | 传统IP路由 |
|---|---|---|
| 转发依据 | 标签值 | 目的IP + 路由表 |
| 效率 | 硬件快速匹配固定长度标签 | 逐跳匹配IP地址（较慢） |
| 功能扩展 | 支持流量工程、VPN、QoS | 功能有限 |
4.9.3新一代的MPLS
新一代MPLS的核心改进方向
现代MPLS演进的主要方向：
- SR-MPLS（Segment Routing MPLS）
通过引入段路由技术，简化传统MPLS的标签分配流程，原生支持流量工程和快速故障恢复。 - SDN与MPLS的结合
通过SDN控制器集中化管理标签路径，提高网络灵活性。 - 服务增强
支持更细粒度的QoS、低延迟转发（如5G承载网中的uFRR）。 - 虚拟化支持
以MPLS为基础构建灵活叠加的网络架构（如EVPN over MPLS）。
新一代MPLS的关键技术细节
1. SR-MPLS的工作原理
SR通过“路径分段”代替传统的LDP/RSVP协议，标签由控制器或头节点统一分配：
- Segment（段）：分为前缀段（Node/Adjacency Segments）、绑定段（Binding Segments）。
- 标签生成：由入口节点（Ingress）直接指定路径的段列表（Label Stack）。
- 优势：避免分布式协议的开销，支持短路径和显式路径。
流程图示例（SR-MPLS标签分配与转发）：
2. MPLS与SDN的融合架构
通过集中控制取代传统分布式信令协议（如LDP）的标签分配：
- SDN控制器：计算最优路径，下发Flow Rule到LSR（标签交换路由器）。
- 转发表简化：仅需按控制器指示匹配标签，无需维护复杂的路由协议状态。
架构图示例（SDN+MPLS）：
3. 流量工程（MPLS-TE）的优化
新一代MPLS在流量工程中的改进：
- 动态带宽调整：根据实时流量需求重优化路径。
- 低延迟路径：通过显式路径配置。
流程示意图（动态流量调整）：
4. MPLS在虚拟化网络中的应用（如EVPN）
通过MPLS构建叠加网络，支持多租户虚拟化（如云计算数据中心互联）：
- EVPN over MPLS：BGP协议分发MAC地址+MPLS标签。
- 标签代表VXLAN VNI，实现跨数据中心的二层互通。
转发逻辑图（EVPN over MPLS）：
与传统MPLS的核心对比
| 特性 | 传统MPLS | 新一代MPLS |
|---|---|---|
| 标签分发协议 | LDP/RSVP-TE | Segment Routing/SDN |
| 控制平面 | 分布式协议 | 集中式SDN控制器 |
| 故障恢复速度 | 秒级（依赖协议收敛） | 毫秒级（快速重路由） |
| 流量工程能力 | 静态路径配置 | 动态实时优化 |
| 编程灵活性 | 仅支持预定义策略 | 可编程路径（P4/OpenFlow） |
