1.MPLS的技術

多協議標志交換(MPLS)技術的提出 Internet業務量的飛速增長以及寬帶技術的不斷出現，對Internet服務提供商(ISP)的網絡帶寬提出了嚴重的挑戰。這種挑戰不僅是對高帶寬的要求，也是對目前Internet所基于的傳統路由交換模式的要求。

要建立這樣一種服務質量較好且具備擴展性支持的新一代路由系統，需要由各單個路由器來維持大容量的路由信息，并能建立一種路由信息的分層結構；在增強路由器對ip分組包轉發性能的同時，還需要增加對多目廣播的路由支持，提供分層式的路由信息結構；此外，未來的路由體系還必需具有靈活的適應能力以滿足將來可能出現的各種新型需求。

從Internet的維護及應用角度考慮，如何對Internet實行合理而簡便的流量控制(TrafficEngineering)，實現基于IP業務的虛擬專網(VPN)，保證IP級的服務質量(IP-levelQoS)，也對目前基于傳統網絡拓撲及IP路由系統的ISP骨干網絡提出了挑戰。

2.MPLS的技術原理

2.1MPLS協議和功能

(1)路由和交換概念

在對MPLS技術進行具體描述前，首先回顧幾個與交換技術相關的概念。

路由協議(如RIP，OSPF)是一種機制，使網絡中的每臺設備都知道在將一個分組送向其目的地時，傳送這個分組的下一跳級(Next-Hop)是哪里。路由器使用路由協議構建路由表，當它們接收到一個分組而必須進行轉發判決時，路由器用分組中的目的地址IP地址作為索引(Index)查尋路由表，利用特定算法獲得下一跳機器的地址。路由表的構造和它們在轉發時的查尋基本上是兩個獨立的操作。

交換概念通常用來描述從一個設備內的輸入端口到輸出端口的數據傳遞，這種傳送一般是基于第二層的(如ATMVPI/VCI)信息。

控制部件為一個節點建造并維護一個路由轉發表(ForwardingTable)。它與其它節點的控制部件共同協作，持續并正確地交換分布路由信息，同時在本地建立轉發表。標準的路由協議(如OSPF、BGP和RIP)用于在控制部件之間交換路由信息。

轉發部件執行分組轉發功能。它使用轉發表、分組所協攜帶的地址等信息及本地的一系列操作來進行轉發判決。在傳統路由器中，最長匹配算法將分組中的目的地地址與轉發表中的條項進行對比，直到獲得一個最優的匹配。更為重要的是，從源到目的地的沿路節點都要重復這一操作。在一個標志交換路由器中，(最佳匹配)標志交換算法使用分組的標志和基于標志的轉發表來為分組獲取一個新的標志及輸出端口。

路由轉發表包含若干條項，提供信息給轉發部件，執行其交換功能。轉發表必須將每個分組與一個條項(傳統條項為目的地址)相關聯起來，為分組的下一步路由提供指引。

轉發同等類(FEC)定義了這樣一組分組，從轉發的行為來看，它們都具有相同的轉發屬性。一種FEC是一組單目廣播分組，其目的地地址均與一個IP地址前綴相匹配。另一種FEC是分組的源及目的地地址都相同的一組分組。FEC可在不同的級別上進行定義。

標志(label)相對較短，長度固定且無結構標識，可在轉發進程中使用。標志通過一種綁定操作與一個FEC關聯起來。標志正常情況下，對于一個單一數據鏈路來說僅具有本地意義，不具有全局意義。在ATM環境中相當于它們的VPI/VCI。由于ATM使用固定短區域進行交換，因此可以相信標志交換能成為一種IPoverATM應用的有效方案。在某種事件驅動下，標志與FEC進行綁定，從而具有一定意義，這種事件可分為以下兩種類型：

一種是數據驅動綁定，即在數據流開始產生時進行綁定。標志綁定僅在需要時建立，在轉發表中只存在很少的幾個條項。標志被分配給不同的IP數據流。在一個ATM網絡環境中，它需要使用大量的虛電路資源，不易于擴展。

另一種是拓撲驅動綁定，當在控制平面激活時來建立與數據流的產生無關。標志綁定可能與路由的更新或RSVP消息的接收有關。拓撲驅動綁定較數據驅動綁定更易于擴展，因此用于MPLS中。

(2)標志交換轉發部件

標志與分組的綁定有若干種方式。對一些網絡可以將標志嵌入到鏈路層的頭端(ATMVCI/VPI，和幀中繼的DLCI)。有時也可以將它嵌入至位于數據鏈路頭端和數據鏈路協議數據單元(PDU)之間的小標志頭端(如位于第二層頭端與第三層數據負載之間)，稱為“Shim”。

這種標志信息能夠在鏈路層進行承載，“Shim”結構可以用于Ethernet，IEEE802.3，或點對點(PPP)鏈路上，其中一個是為單目廣播，另一個是為多目廣播(Multicast)。每個標志為4字節。

在MPLS骨干網絡邊緣，邊界LSR對進來的無標志分組(正常情況下)按其IP頭端進行歸類劃分(Classification)及轉發判決，這樣IP分組在邊界LSR被打上相應的標志，并被傳送至到達目的地地址的下一跳。

在后續的交換過程中，由LSR所產生的固定長度的標志替代IP分組頭端，大大簡化了以后的節點處理操作。后續節點使用這個標志進行轉發判決。一般情況下，標志的值在每個LSR中交換后改變，這就是標志轉發。

假如分組從MPLS的骨干網絡中出來，出口邊界LSR發現它們的轉發方向是一個無標志的接口，就簡單地移除分組中的標志。這種基于標志轉發的最重要的優勢在于對多種交換類型只需要唯一一種轉發算法，可以用硬件來實現非常高的轉發速度。

(3)標志交換控制部件

標志由標志交換路徑(LSP)的上游LSR(Upstream LSR)節點來附加至分組中，下游LSR(Downstream LSR)收到標志分組后判決處理，這由標志交換的控制部件來完成。它使用標志轉發表中的條項內容作為引導。

標志交換控制部件除了基本的表的建立和維護外，還負責以一種連續的方式在LSR之間進行路由的分布及進行將這些信息生成為轉發表的操作。標志交換控制部件包括所有的傳統路由協議(如，OSPF，BGP，PIM等等)。這些路由協議為LSR提供了FEC與下一跳地址的映射。

標志信息的分布(Distribution)

標志交換轉發表中的條項內容最少應能提供輸出的端口信息和下一個新的標志，當然也可以包含更多的信息。例如，它可以為被交換的分組產生一種輸出隊列原則。輸入分組必須在轉發表中有唯一的條項與之對應。

每一個分配的標志必須與轉發表中的一個條項相關聯起來。這種綁定可以在本地LSR執行或在遠端LSR執行。目前MPLS版本使用下游綁定，這種情況下，本地關聯的標志用作進入分組標志，而遠端關聯標志用作輸出標志。另一種方式為上游綁定，與下游綁定相反，也是一種可行的方法。在MPLS技術中，轉發表又稱為標志轉發信息庫(LFIB)，LFIB的每一個條目中包括輸入標志，輸出標志，輸入接口 和輸出端口MAC地址，由輸入標志對條項進行檢索查找。另外LFIB既可以在一個標志交換路由器上也可以存在于一個接口上。

(4)標志交換路由器(LSR)

MPLS的設備按其在MPLS路由網絡中所處的位置可分為邊界標志交換路由器和中間標志交換路由器。邊界LSR除對分組的標志進行符加或移除外，還負責對流量進行分類。標志的分配除了基于目的地地址外還有其它很多因素。邊界LSR判定流量是否為一個長持續流，采取治理政策和訪問控制，并在可能的情況下將普通業務流匯聚成較大的數據流。這些都是在IP與MPLS的邊界處所要具有的功能，因此邊界LSR的能力將會是整個標志交換環境能否成功的要害環節。對于服務提供者而言，這也是一個治理和控制點。

(5)MPLS和ATM協議關系

MPLS為公共的轉發算法，基于標志的交換技術，在與ATM技術的結合上，MPLS使用ATM的用戶平面(user plane)，以ATM的VPI/VCI作為其標志；MPLS的控制功能部件，以網絡層的動態路由協議(如：IS-IS，OSPF，BGP，PIM)及標志分配協議(LDP)來替代ATM傳統的控制平面，完成對整個MPLS網絡的控制功能。

3 MPLS的特點



傳統的IP數據轉發是基于逐跳式的，每個轉發數據的路由器都要根據IP包頭的目的地址查找路由表來獲得下一跳的出口，這是個繁瑣又效率低下的工作，主要的原因是兩個：1、有些路由的查詢必須對路由表進行多次查找，這就是所謂的遞歸搜索；2、由于路由匹配遵循最長匹配原則，所以迫使幾乎所有的路由器的交換引擎必須用軟件來實現，用軟件實現的交換引擎和ATM交換機上用硬件來實現的交換引擎在效率上無法相抗衡。

MPLS技術的提出主要是為了更好地將IP與ATM的高速交換技術結合起來，發揮兩者的優勢，充分利用目前ATM網絡的各種資源，實現IP分組的快速轉發交換；對傳統的IP動態路由進行一些擴展，基于控制的動態路由（Constraint-Based Routing）實現IP業務流量控制、虛擬專網應用（BGP/MPLS VPN）及IP級的服務質量(IP Cos)。

多協議標志交換（MPLS）技術與其它技術相比具有三個特點： 

(1) MPLS交換與傳統IP路由不同，它是基于一種顯式的路由交換（eXPlicit routing），源地址路由方式。（2）MPLS中所使用的標志（label）沒有固定的格式，隨著下層媒體的變化而變化，對于ATM媒體，標志是ATM的VCI/VPI，對于幀中繼為DLCI，對于X.25為LCN。（3）MPLS的路由控制治理是一種面向網絡拓撲的實現，網絡拓撲驅動（topo-driven），只有當整個網絡拓撲發生變化時，MPLS的路由轉發表才會發生變化，而不且隨網絡中某個應用服務、某臺工作站的改變而變化。

在基于ATM的MPLS交換技術中，“標簽包裝”的原型與ATM交換機轉發信元非常相似；從另一角度看，在一個標志交換的環境中，ATM交換機將更像是一臺快速的路由器。MPLS的典型方法是，為第3層路由表中的路由前綴分配一個特定含義的標簽。這種拓撲驅動（topology-driven）的標志分配技術有別于其它基于流驅動(flow-driven)的分配技術，在MPLS中所分配的標簽僅隨路由前綴的變化而變化，其變化頻率相對會低得多。顯然，因為這種技術實現獨立于數據流，而采用目的地地址，因此具有很強的可擴展性。在某種程度上，標志交換有些類似于幀中繼采用數據鏈路連接標志符（DLCI）來執行高速的交換功能。當被標志的分組最終到達標志網絡的出口時，就被移去標志，分組由傳統的第3層路由進行轉發。

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1.MPLS的技術

多協議標志交換(MPLS)技術的提出 Internet業務量的飛速增長以及寬帶技術的不斷出現，對Internet服務提供商(ISP)的網絡帶寬提出了嚴重的挑戰。這種挑戰不僅是對高帶寬的要求，也是對目前Internet所基于的傳統路由交換模式的要求。

要建立這樣一種服務質量較好且具備擴展性支持的新一代路由系統，需要由各單個路由器來維持大容量的路由信息，并能建立一種路由信息的分層結構；在增強路由器對IP分組包轉發性能的同時，還需要增加對多目廣播的路由支持，提供分層式的路由信息結構；此外，未來的路由體系還必需具有靈活的適應能力以滿足將來可能出現的各種新型需求。

從Internet的維護及應用角度考慮，如何對Internet實行合理而簡便的流量控制(TrafficEngineering)，實現基于IP業務的虛擬專網(VPN)，保證IP級的服務質量(IP-levelQoS)，也對目前基于傳統網絡拓撲及IP路由系統的ISP骨干網絡提出了挑戰。

2.MPLS的技術原理

2.1MPLS協議和功能

(1)路由和交換概念

在對MPLS技術進行具體描述前，首先回顧幾個與交換技術相關的概念。

路由協議(如RIP，OSPF)是一種機制，使網絡中的每臺設備都知道在將一個分組送向其目的地時，傳送這個分組的下一跳級(Next-Hop)是哪里。路由器使用路由協議構建路由表，當它們接收到一個分組而必須進行轉發判決時，路由器用分組中的目的地址IP地址作為索引(Index)查尋路由表，利用特定算法獲得下一跳機器的地址。路由表的構造和它們在轉發時的查尋基本上是兩個獨立的操作。

交換概念通常用來描述從一個設備內的輸入端口到輸出端口的數據傳遞，這種傳送一般是基于第二層的(如ATMVPI/VCI)信息。

控制部件為一個節點建造并維護一個路由轉發表(ForwardingTable)。它與其它節點的控制部件共同協作，持續并正確地交換分布路由信息，同時在本地建立轉發表。標準的路由協議(如OSPF、BGP和RIP)用于在控制部件之間交換路由信息。

轉發部件執行分組轉發功能。它使用轉發表、分組所協攜帶的地址等信息及本地的一系列操作來進行轉發判決。在傳統路由器中，最長匹配算法將分組中的目的地地址與轉發表中的條項進行對比，直到獲得一個最優的匹配。更為重要的是，從源到目的地的沿路節點都要重復這一操作。在一個標志交換路由器中，(最佳匹配)標志交換算法使用分組的標志和基于標志的轉發表來為分組獲取一個新的標志及輸出端口。

路由轉發表包含若干條項，提供信息給轉發部件，執行其交換功能。轉發表必須將每個分組與一個條項(傳統條項為目的地址)相關聯起來，為分組的下一步路由提供指引。

轉發同等類(FEC)定義了這樣一組分組，從轉發的行為來看，它們都具有相同的轉發屬性。一種FEC是一組單目廣播分組，其目的地地址均與一個IP地址前綴相匹配。另一種FEC是分組的源及目的地地址都相同的一組分組。FEC可在不同的級別上進行定義。

標志(label)相對較短，長度固定且無結構標識，可在轉發進程中使用。標志通過一種綁定操作與一個FEC關聯起來。標志正常情況下，對于一個單一數據鏈路來說僅具有本地意義，不具有全局意義。在ATM環境中相當于它們的VPI/VCI。由于ATM使用固定短區域進行交換，因此可以相信標志交換能成為一種IPoverATM應用的有效方案。在某種事件驅動下，標志與FEC進行綁定，從而具有一定意義，這種事件可分為以下兩種類型：

一種是數據驅動綁定，即在數據流開始產生時進行綁定。標志綁定僅在需要時建立，在轉發表中只存在很少的幾個條項。標志被分配給不同的IP數據流。在一個ATM網絡環境中，它需要使用大量的虛電路資源，不易于擴展。

另一種是拓撲驅動綁定，當在控制平面激活時來建立與數據流的產生無關。標志綁定可能與路由的更新或RSVP消息的接收有關。拓撲驅動綁定較數據驅動綁定更易于擴展，因此用于MPLS中。

(2)標志交換轉發部件

標志與分組的綁定有若干種方式。對一些網絡可以將標志嵌入到鏈路層的頭端(ATMVCI/VPI，和幀中繼的DLCI)。有時也可以將它嵌入至位于數據鏈路頭端和數據鏈路協議數據單元(PDU)之間的小標志頭端(如位于第二層頭端與第三層數據負載之間)，稱為“Shim”。

這種標志信息能夠在鏈路層進行承載，“Shim”結構可以用于Ethernet，IEEE802.3，或點對點(PPP)鏈路上，其中一個是為單目廣播，另一個是為多目廣播(Multicast)。每個標志為4字節。

在MPLS骨干網絡邊緣，邊界LSR對進來的無標志分組(正常情況下)按其IP頭端進行歸類劃分(Classification)及轉發判決，這樣IP分組在邊界LSR被打上相應的標志，并被傳送至到達目的地地址的下一跳。

在后續的交換過程中，由LSR所產生的固定長度的標志替代IP分組頭端，大大簡化了以后的節點處理操作。后續節點使用這個標志進行轉發判決。一般情況下，標志的值在每個LSR中交換后改變，這就是標志轉發。

假如分組從MPLS的骨干網絡中出來，出口邊界LSR發現它們的轉發方向是一個無標志的接口，就簡單地移除分組中的標志。這種基于標志轉發的最重要的優勢在于對多種交換類型只需要唯一一種轉發算法，可以用硬件來實現非常高的轉發速度。

(3)標志交換控制部件

標志由標志交換路徑(LSP)的上游LSR(Upstream LSR)節點來附加至分組中，下游LSR(Downstream LSR)收到標志分組后判決處理，這由標志交換的控制部件來完成。它使用標志轉發表中的條項內容作為引導。

標志交換控制部件除了基本的表的建立和維護外，還負責以一種連續的方式在LSR之間進行路由的分布及進行將這些信息生成為轉發表的操作。標志交換控制部件包括所有的傳統路由協議(如，OSPF，BGP，PIM等等)。這些路由協議為LSR提供了FEC與下一跳地址的映射。

標志信息的分布(Distribution)

標志交換轉發表中的條項內容最少應能提供輸出的端口信息和下一個新的標志，當然也可以包含更多的信息。例如，它可以為被交換的分組產生一種輸出隊列原則。輸入分組必須在轉發表中有唯一的條項與之對應。

每一個分配的標志必須與轉發表中的一個條項相關聯起來。這種綁定可以在本地LSR執行或在遠端LSR執行。目前MPLS版本使用下游綁定，這種情況下，本地關聯的標志用作進入分組標志，而遠端關聯標志用作輸出標志。另一種方式為上游綁定，與下游綁定相反，也是一種可行的方法。在MPLS技術中，轉發表又稱為標志轉發信息庫(LFIB)，LFIB的每一個條目中包括輸入標志，輸出標志，輸入接口 和輸出端口MAC地址，由輸入標志對條項進行檢索查找。另外LFIB既可以在一個標志交換路由器上也可以存在于一個接口上。

(4)標志交換路由器(LSR)

MPLS的設備按其在MPLS路由網絡中所處的位置可分為邊界標志交換路由器和中間標志交換路由器。邊界LSR除對分組的標志進行符加或移除外，還負責對流量進行分類。標志的分配除了基于目的地地址外還有其它很多因素。邊界LSR判定流量是否為一個長持續流，采取治理政策和訪問控制，并在可能的情況下將普通業務流匯聚成較大的數據流。這些都是在IP與MPLS的邊界處所要具有的功能，因此邊界LSR的能力將會是整個標志交換環境能否成功的要害環節。對于服務提供者而言，這也是一個治理和控制點。

(5)MPLS和ATM協議關系

MPLS為公共的轉發算法，基于標志的交換技術，在與ATM技術的結合上，MPLS使用ATM的用戶平面(user plane)，以ATM的VPI/VCI作為其標志；MPLS的控制功能部件，以網絡層的動態路由協議(如：IS-IS，OSPF，BGP，PIM)及標志分配協議(LDP)來替代ATM傳統的控制平面，完成對整個MPLS網絡的控制功能。

3 MPLS的特點



傳統的IP數據轉發是基于逐跳式的，每個轉發數據的路由器都要根據IP包頭的目的地址查找路由表來獲得下一跳的出口，這是個繁瑣又效率低下的工作，主要的原因是兩個：1、有些路由的查詢必須對路由表進行多次查找，這就是所謂的遞歸搜索；2、由于路由匹配遵循最長匹配原則，所以迫使幾乎所有的路由器的交換引擎必須用軟件來實現，用軟件實現的交換引擎和ATM交換機上用硬件來實現的交換引擎在效率上無法相抗衡。

MPLS技術的提出主要是為了更好地將IP與ATM的高速交換技術結合起來，發揮兩者的優勢，充分利用目前ATM網絡的各種資源，實現IP分組的快速轉發交換；對傳統的IP動態路由進行一些擴展，基于控制的動態路由（Constraint-Based Routing）實現IP業務流量控制、虛擬專網應用（BGP/MPLS VPN）及IP級的服務質量(IP Cos)。

多協議標志交換（MPLS）技術與其它技術相比具有三個特點： 

(1) MPLS交換與傳統IP路由不同，它是基于一種顯式的路由交換（explicit routing），源地址路由方式。（2）MPLS中所使用的標志（label）沒有固定的格式，隨著下層媒體的變化而變化，對于ATM媒體，標志是ATM的VCI/VPI，對于幀中繼為DLCI，對于X.25為LCN。（3）MPLS的路由控制治理是一種面向網絡拓撲的實現，網絡拓撲驅動（topo-driven），只有當整個網絡拓撲發生變化時，MPLS的路由轉發表才會發生變化，而不且隨網絡中某個應用服務、某臺工作站的改變而變化。

在基于ATM的MPLS交換技術中，“標簽包裝”的原型與ATM交換機轉發信元非常相似；從另一角度看，在一個標志交換的環境中，ATM交換機將更像是一臺快速的路由器。MPLS的典型方法是，為第3層路由表中的路由前綴分配一個特定含義的標簽。這種拓撲驅動（topology-driven）的標志分配技術有別于其它基于流驅動(flow-driven)的分配技術，在MPLS中所分配的標簽僅隨路由前綴的變化而變化，其變化頻率相對會低得多。顯然，因為這種技術實現獨立于數據流，而采用目的地地址，因此具有很強的可擴展性。在某種程度上，標志交換有些類似于幀中繼采用數據鏈路連接標志符（DLCI）來執行高速的交換功能。當被標志的分組最終到達標志網絡的出口時，就被移去標志，分組由傳統的第3層路由進行轉發。