计算机网络笔记(二十七)——4.9多协议标签交换MPLS

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：
标签交换（Swap）
- 中间LSR根据标签转发表：
  复制代码
```
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）：

复制代码

[ 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。
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：

复制代码

[ 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）