多协议标签交换

多协议标签交换（英语：Multi-Protocol Label Switching，缩写为MPLS）是一种电信网络上利用标签引导资料进行传输的路由技术。相较于传统上利用网络地址来决定下一个节点，MPLS 则使资料沿着预定的路径发送，因此能减少在路由器上所花费的时间。多协议意指 MPLS 支持多种网络协议，并且也支持多种网络第二层的协议。

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。

MPLS属于第三代网络架构，是新一代的IP高速骨干网络交换标准，由IETF所提出，由Cisco、ASCEND、3Com等网络设备大厂所主导。

采用MPLS的数据包只须在OSI第二层（数据链结层）执行硬件式交换（取代第三层（网络层）软件式路由），它集成了IP选径与第二层标记交换为单一的系统，因此可以解决Internet路由的问题，使数据包传送的延迟时间减短，增加网络传输的速度，更适合多媒体讯息的传送。因此，MPLS最大技术特色为可以指定数据包传送的先后顺序。MPLS使用标记交换（Label Switching），网络路由器只需要判别标记后即可进行转送处理。

产生的背景

因特网迅猛发展对IP的承载网提出各种挑战，比如路由问题、QoS保障问题等。网络的发展正向宽带化、智能化和一体化的方向发展。未来的业务以突发性数据业务为主，ATM对其显得效率不足，传输和交换成本较高，而IP又显得能力不足。各种IP与ATM融合的技术如LANE, IPOA, TAG SWITCH等只能解决局部问题。

发展历史

1996年，Ipsilon公司提出的一种专门在ATM网上传送IP分组的技术：IP Switching；Toshiba: cell switching router;
1996年，Cisco: Tag Switching;IBM: Aggregate Route-based IP Switching;
1997年，IETF: MPLS(Multiprotocol Label Switching)

工作原理

当一个未被标记的分组（IP包、帧中继或ATM信元）到达MPLS LER时，入口 LER根据输入分组头查找路由表以确定通向目的地的标记交换路径LSP，把查找到的对应LSP的标记插入到分组头中，完成端到端IP地址与MPLS标记的映射。

分组头与label的映射规则不但考虑数据流目的地的信息，还考虑了有关QoS的信息；在以后网络中的转发，MPLS LSR就只根据数据流所携带的标签进行转发。

技术特点

MPLS简化了分组的转发

基于定长短标签定完全匹配，MPLS易制造高速路由器。

MPLS支持有效的显式路由（explicit routing）

显式路由在网络负荷调节，保证QoS要求等方面起着重要作用；传统IP网络中，每个分组头都携带显式路由是不可能的；MPLS只是在LSP建立时使用吗、，MPLS显式路由可行。

MPLS有利于实现流量工程（Traffic Engineering）
MPLS支持QoS选路

QoS选路是指对特定的数据流，按其QoS要求来为它选择路由的方法。

从IP分组到转发等价类的映射

MPLS只需要在其域的入口进行一次从IP分组到FEC的映射，使得IP分组到FEC的复杂转换得以简化。

MPLS支持多网络功能划分

MPLS引入了标记粒度的概念，使其能分层地将处理功能划分给不同的网络单元，让靠近用户的网络边缘节点承担更多的工作；与此同时，核心网络则尽可能地简单。

MPLS实现了用户不同服务级别要求的单一转发规范
MPLS提高了网络扩展性

Ethernet over MPLS

随着以太网的不断发展，以太网的性能、价格与ATM和其他的网络相比，具有巨大的优势。纯的以太网具有以下的不足：VLAN空间限制，没有端点到端点的带宽预留机制，没有流量工程。

但是在和MPLS结合以后，以太网摇身一变，变成了面向连接的网络，有流量控制、有QoS保证、支持低延迟服务的网络。从而MPLS以太网受到了电信运营商的青睐，被大规模的部署在城域网中，并正在向骨干网络渗透。

MPLS在以太网中的实现分为L2和L3两种，层次结构如下：

L2	物理层	以太网头	MPLS头	IP头
L3	物理层	以太网传输	MPLS头	以太网服务	IP头

术语解释

转发等效类（Forwarding Equivalence Class,FEC）: 是一系列具有某些共性的数据流集合(目的地相同、使用的转发路径相同、具有相同的服务等级等)，这些数据在转发的过程中被LSR以相同的方式进行处理;
标记（Tag或Label）: 简短的、长度固定的、具有本地意义的标识符，用以表征转发等价类（FEC）。
边缘标记交换路由器（LER： Label Edge Router）: 根据LSP等因素给分组加标签的路由器。
标记交换路由器（LSR：Label Switched Router）: 具有标记交换能力的路由器，它是标记交换的基本构成单元。
数据流（stream）: 沿着同一路径、属于同一FEC的一组包被视为一个数据流。
业务流（flow）: 一个应用到应用的数据流称为业务流。
上游（upstream）和下游（downstream）: “上游”和“下游”是根据数据流的流向而定的。
转发信息库（FIB）: FIB用于存放下一跳的相关信息。
流分类: 在业务流进入LSR时首先需要进行分类，也就是将业务流划分为不同的FEC。
标记交换的封装: 标记交换是一种支持多协议的技术，它可以在多种链路协议上运行。
流量工程（Traffic Engineering）: 根据用户数据业务量及当前网络状态选择数据传输路径的过程，主要用来平衡网络中的负荷；
标签分发协议（LDP：Label Distribution Protocol ）: 控制LSR之间交换标签与FEC绑定消息，协调LSR之间工作的一系列规程。主要功能：让LSR实现FEC与标签的绑定，并将这种绑定通知给相邻的LSR，使各LSR对收到的标签绑定达成共识。
标签堆栈: MPLS中分组可以携带多个标签，这些标签在分组中以“堆栈”的形式存在，对标签堆栈的操作按照“后进先出”的原则。决定如何转发分组的标签始终是栈顶标签。

重要应用

MPLS VPN是一种基于MPLS技术的IP-VPN，根据PE（Provider Edge）设备是否参与VPN路由处理又细分为二层VPN和三层VPN。

参考文献

《MPLS宽带网络互联技术》石晶林人民邮电出版社
《多协议标记交换技术》冯径人民邮电出版社