2.3 MPLS的工作原理

2.3.1 MPLS的标签结构

MPLS的标签结构如图2-2所示，标签长度为32位，各部分的说明如表2-1所示。

2.3.2 MPLS的体系结构

MPLS的体系结构分为控制单元和转发单元两个独立的单元，特点是“控制层面无连接，转发层面有连接”，如图2-3所示。

控制单元使用标准的路由协议（如IS-IS、OSPF、BGP4等）同邻居交换路由信息和维护路由表，同时使用标签分发协议（如LDP、RSVP-TE、MP-BGP等）同互联的标签交换设备交换标签转发信息，实现标签转发表的维护和创建。

转发单元决定报文的转发处理，即根据数据报头中的信息查找标签转发表，然后根据查找结果进行标签处理和转发。

2.3.3 标签分发

1.标签分发的概念

标签分发是指为特定FEC建立相应LSP的过程。为方便说明，一般将报文转发过程中发送端的路由器称为上游LSR，将接收端的路由器称为下游LSR。

在MPLS体系中，将特定的标签分配给特定FEC（即标签绑定）的决定由下游LSR做出，由下游LSR通知上游LSR（即标签由下游指定），分配的标签按照从下游到上游的方向分发。注意，分发标签的方向与数据转发方向是相反的，先由下游往上游分发标签，再将数据包打上分配到的标签从上游往下游进行转发。

对于一个LSR，标签的“入”“出”是指数据转发的方向，“入标签”是它发给别人的标签，将标签发给别人后，别人会根据这个标签将相应的数据发回来，这就是“入”；而“出标签”是别人发给它的标签，当收到别人发来的标签后，它按照这个标签将数据包转发出去，这就是“出”。下游往上游分配的标签，对于下游就是“入标签”，对于上游就是“出标签”。

标签的取值只有本地意义，即一个路由器对不同的路由分配的“入标签”不能相同，如果对上游分配的“入标签”相同，路由器就不知道收到的数据包该往哪个方向转发。不同的路由器之间并不会协商标签的取值。

2.标签分发的方式

MPLS中使用的标签分发的方式有以下两种。

（1）下游自主（Downstream Unsolicited，DU）标签分发方式：是指对于一个特定的FEC，LSR无须从上游获得标签请求消息即进行标签分配和分发的方式，如图2-4所示。下游主动向上游发出标签映射信息。标签是设备自动随机生成的。

（2）下游按需（Downstream on Demand，DoD）标签分发方式：是指对于一个特定的FEC，LSR获得标签请求信息之后才能进行标签分配和分发的方式。

具有标签分发邻接关系的上游LSR和下游LSR之间使用的标签分发方式必须一致，否则LSP无法建立。

3.标签分配控制方式

MPLS中使用的标签分配控制方式分为以下两种。

（1）独立（Independent）标签分配控制方式。当使用独立标签分配控制方式时，每个LSR都可以在任意时间向和它连接的LSR通告标签映射。

（2）有序（Ordered）标签分配控制方式。当使用有序标签分配控制方式时，LSR只有当收到某一特定FEC下一跳的特定标签映射信息或者其是LSP的出口节点时，才可以向上游发送标签映射信息。MPLS当前采用的主要是有序标签分配控制方式。

4.标签保留方式

MPLS中对于收到的标签有两种保留方式，即自由标签保留方式和保守标签保留方式，如图2-5所示。

（1）保守方式（Conservative Retention Mode）：只保留来自下一跳邻居的标签，丢弃所有非下一跳邻居的标签。

（2）自由方式（Liberal Retention Mode）：保留来自邻居发送的所有标签，是当前采用的主要的标签保留方式。

5.方式组合

标签分发、控制及保留方式有如下两种常用的组合。

（1）DoD+有序+保守：使用RSVP-TE作为标签分发协议时常使用这种组合。

（2）DU+有序+保守：使用LDP作为标签分发协议时常使用这种组合，标签表中会存在大量非选中的标签，发现自己有直连接口路由时，收到下游到某条路由的标签，并且该路由生效（也就是说，在本地已经存在这条路由，并且路由的下一跳和标签的下一跳相同）时发送标签。

如果某个网络中只有部分设备运行MPLS，则只会对运行MPLS的设备的直连路由生成标签，对于其他设备始发的路由则不会生成标签。如果没有标签，则对于通过MPLS域的目的地址在IP域的报文就只能采用传统的IP转发。

2.3.4 标签转发

1.标签转发表

在标签分发协议完成自己的工作后，每个路由器都会形成一张标签转发表。

标签转发表通常包括IN Interface（入接口）、IN Label（入标签）、Prefix/MASK（FEC前缀和掩码）、OUT Interface（出接口）、NEXT Hop（下一跳）及OUT Label（出标签），如表2-2所示。

从表2-2中可以看出，所有入标签都是不同的，但出标签有可能是相同的，出标签和入标签也可能相同。其中有一个特殊的标签值3，代表倒数第二跳弹出。

对于一台设备的标签转发表而言，所有入标签一定不同。对于相同的路由，如果下一跳相同，则出标签一定相同；对于不同的路由，如果下一跳相同，出标签一定不同；对于不同的路由，如果下一跳也不相同，则出标签可能相同；对于同一条路由，出标签和入标签也可能相同。

2.标签转发过程

通过各种方式建立控制平面实现标签分配后，就可以进行数据传输。如图2-6所示，首先入口LER将数据包打上标签，转发给其下游LSR；然后中间的LSR根据标签转发表进行标签交换，再转发给其下游LSR；出口LER根据标签转发表将标签弹出，根据IP报头（或内层标签）进行下一步操作；通过沿途路由器执行的操作，就可将数据包从入口转发到出口，直至到达目的地。

在通过标签转发进行数据传输的过程中，中间的LSR无须查看IP报头，只需要根据IP报头前面的MPLS标签进行相应的交换操作，这样IP数据包的内容就被标签“保护隔离”起来，MPLS的LSP成为天然的“隧道”。

在数据链路层协议中有相应的方法判断收到的报文是否为MPLS报文。如果是，则将报文送给MPLS层进行处理；如果不是，则将报文直接送给IP层进行处理。例如在以太网中，使用值Ox8847（单播）和Ox8848（多播）表示承载的是MPLS报文，Ox8800则表示是IP报文；PPP中增加了一种新的NCP，即MPLS NCP，使用Ox8282来标识。

3.倒数第二跳弹出

在Egress LER处，数据转发方式从MPLS转发变为IP路由查找，但是它收到的仍然是带有标签的MPLS报文。按照常规处理方式，该报文应该送到MPLS模块进行处理，但此时MPLS不需要标签转发，能做的只有去除标签，然后将数据包送给IP层处理。因此，对于Egress LER，处理MPLS报文是没有意义的，最好能保证它收到的直接就是IP报文，这就需要在Egress LER的上游完成标签弹出，即倒数第二跳弹出（Penultimate Hop Popping，PHP）。但是，上游设备如何知道自己是否倒数第二跳呢？其实，只要在倒数第一跳为其分配标签时做一个特殊说明即可。倒数第一、二跳标签分配方式如表2-3所示。