多协议标签交换（MPLS）技术
摘要：本文主要介绍了多协议标签交换（MPLS）技术的基本概念、工作原理、工作过程、特点、应用以及存在的问题。
关键词：MPLS ATM IP
MPLS技术是未来最具竞争力的通信网络技术。1997年IETF提出MPLS之后，到目前为止，有关的MPLS 技术的协议标准草案和规范已经约有140个，并且在1999年就有厂商推出MPLS设备。这种进展速度是以前任何一种技术所没有的。
1. MPLS概念
1.1 什么是MPLS技术
多协议标签交换（MPLS：Multi-Protocol Label Switching）技术是一种开放的通信网上利用标签引导数据高速、高效传输的新技术。它的价值在于能够在一个无连接的网络中引入连接模式的特性。其主要优点是减少了网络复杂性，兼容现有各种主流网络技术，能降低50%网络成本，在提供IP业务时能确保QoS和安全性，具有流量工程能力。此外，MPLS能解决VPN扩展问题和维护成本问题。
1.2 几个基本概念
（1）转发等价类
MPLS作为一种分类转发技术，将具有相同转发处理方式的分组归为一类，称为FEC（Forwarding Equivalence Class，转发等价类）。相同FEC的分组在MPLS网络中将获得完全相同的处理。
FEC的划分方式非常灵活，可以是以源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型或VPN等为划分依据的任意组合。例如，在传统的采用最长匹配算法的IP转发中，到同一个目的地址的所有报文就是一个FEC。
（2）标签
标签是一个长度固定，仅具有本地意义的短标识符，用于唯一标识一个分组所属的FEC。一个标签只能代表一个FEC。
标签长度为4个字节，其结构如图1所示。标签共有4个域：
图 1 标签的封装结构
标签共有4个域：
Label：标签值字段，长度为20bits，用来标识一个FEC。
Exp：3bits，保留，协议中没有明确规定，通常用作CoS。
S：1bit，MPLS支持多重标签。值为1时表示为最底层标签。
TTL：8bits，和IP分组中的TTL意义相同，可以用来防止环路。
2. MPLS原理
2.1 基本原理
MPLS的基本原理是以一个类似于路由器的设备来控制ATM的硬件交换机。MPLS是属于第三层交换技
术，引入了基于标记的机制，它把路由和转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径。MPLS网络由核心部分的标签交换路由器（LSR）、边缘部分交换路由器（LER）组成。LSR的作用可以看作是ATM交换机与传统路由器的结合，由控制单元和交换单元组成，LSR就是实现了MPLS功能的ATM交换机；LER的作用是分析IP包头，用于决定相应的传送级别和标签交换路径（LSP），于是该系统既具备ATM交换机高速交换功能，又能支持强大的路由功能。也就是将第二层的ATM交换机换成LSR，LER可以是具有MPLS功能的ATM交换机，也可以是具有MPLS功能的路由器。
2.2 MPLS网络的组成
MPLS网络由3部分组成：
（1）标记边缘路由器（LER）：LER是位于MPLS网络边缘的第三层路由设备，是将标记加到进来的数据包上，又在包出去的时候将标记取消，并能够提供增值的第三层服务，如安全性、网络流量计算和QoS 分类等。
（2）标记交换路由器（LSR）：位于一个多协议标签交换(MPLS)网络的中间。它为转换这个标签用于路由分组负责。当一个LSR接收到一个分组，它使用这个包含在这个分组头部的标签做为一个索引来决定在标签交换通道(LSP)中的下一跳，和一个来自查寻表分组相应的标签。旧的标签然后被从这个头部移除，和在这个分组被路由转发之前被替换为新的标签。
（3）标签分发协议（LDP）：是 MPLS 体系中的一种主要协议。在 MPLS 网络中，两个标签交换路由器（LSR）必须用在它们之间或通过它们转发流量的标签上达成一致。
图2 MPLS网络示意图
3.MPLS的工作过程
（1）使用现有的路由协议，如OSPF,IGRP等，建立到终点网络的连接，LDP完成标记到终点的映射；
（2）输入端标记边缘路由器接收到分组，完成第三层功能，并给分组贴上标记；
如图3所示。
图3
（3）标记交换机对带有标记的分组进行交换，如图4；
图4
（4）在输出端的MPLS边缘路由器中去掉标记，并将分组传送给终端用户，如图5。
图5
4.MPLS技术的特点
（1）MPLS在网络中的分组转发是基于定长标签，由此简化了转发机制，使得转发路由器容量很容易扩展到太比特级。
（2）充分采用原有的IP路由，在此基础上加以改进；保证了MPLS网络路由具有灵活性的特点。
（3）采用ATM的高效传输交换方式，抛弃了复杂的ATM信令，无缝地将IP技术的优点融合到硬件转发中。
（4）MPLS网络的数据传输和路由计算分开，是一种面向连接的传输技术，能够提供有效的QoS保证。
（5）MPLS不但支持多种网络层技术，而且是一种与链路层无关的技术，它同时支持X.25、帧中继、ATM、PPP、SDH、DWDM等，保证了多种网络的互联互通，使得各种不同的网络传输技术统一在一个MPLS平台上。
（6）MPLS支持大规模层次化的网络拓扑结构，具有良好的网络扩展性。
（7）MPLS的标签合并机制支持不同数据流的合并传输。
（8）MPLS支持流量工程、CoS、QoS和大规模的虚拟专用网。
5.MPLS技术的应用
最初，MPLS技术结合了二层交换技术和三层路由技术，提高了路由查找速度。但是，随着ASIC （Application-Specific Integrated Circuit，专用集成电路）技术的发展，路由查找速度已经不成为阻碍网络发展的瓶颈。这使得MPLS在提高转发速度方面不具备明显的优势。
但由于MPLS结合了IP网络强大的三层路由功能和传统二层网络高效的转发机制，在转发平面采用面向连接方式，与现有二层网络转发方式非常相似，这些特点使得MPLS能够很容易地实现IP与ATM、帧中继等二层网络的无缝融合，并为QoS（Quality of Service，服务质量）、TE、VPN等应用提供更好的解决方案。
5.1 基于MPLS的VPN
传统的VPN一般是通过GRE、L2TP、PPTP等隧道协议来实现私有网络间数据流在公网上的传送，LSP 本身就是公网上的隧道，因此，用MPLS来实现VPN有天然的优势。
基于MPLS的VPN就是通过LSP将私有网络的不同分支连接起来，形成一个统一的网络。基于MPLS的VPN还支持对不同VPN间的互通控制。
图 6 基于MPLS的VPN
图 6是基于MPLS的VPN的基本结构：CE（Customer Edge，用户边缘设备）可以是路由器，也可以是交换