第153篇：MPLS 基本概念——标签、LSP、FEC

关键词

MPLS、标签（Label）、LSP（Label Switched Path）、FEC（Forwarding Equivalence Class）、LSR、LER、标签转发

一、为什么需要 MPLS？

1.1 IP 转发的局限性

传统的 IP 转发（逐跳路由）存在几个根本性局限：

局限 问题
最长匹配查找 每台路由器都要做一次 IP 路由表最长匹配，转发速度受限
只依赖目的 IP 无法基于源地址、端口、VPN 等信息做转发决策
逐跳决策 每台路由器独立决策，无法指定整条路径
BGP 路由黑洞 非直连 BGP 路由可能被中间设备丢弃（因为没有对应路由）
VPN 隔离困难 传统 IP 转发无法天然支持多租户 VPN

1.2 MPLS 的设计思想

MPLS（Multiprotocol Label Switching）的核心思想是将路由和转发分离：

  • 路由：仍然通过 IGP/BGP 学习路由
  • 转发：基于固定长度的标签（Label）而非 IP 目的地址

标签是一个固定长度（4 字节）的短标识符，路由器只需查标签表（比 IP 路由表简单得多）就能决定转发行为。

二、MPLS 的三大核心概念

2.1 标签（Label）

标签 = 一个本地区域内有意义的短标识符（4 字节 32 位）

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                Label                 | Exp |S|       TTL      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|             20 位标签值             | 3位 |1|      8 位      |

标签结构： - Label（20 位）：实际的标签值，范围 16-1,048,575（0-15 为保留值） - Exp（3 位）：实验用途，通常用于 QoS（类似 IP 的 DSCP） - S（1 位）：栈底标识——1 表示栈底，0 表示还有更多标签 - TTL（8 位）：生存时间，防环路

关键理解：标签在每一个 LSR 上有本地意义。即 LSR-A 给某 FEC 分配的标签是 101，LSR-B 给同一 FEC 分配的标签可能是 205。

2.2 FEC（转发等价类）

FEC = 按照相同方式转发的一组 IP 数据包

常见 FEC 划分方式： - 同一目的 IP 前缀（最常用） - 同一 BGP VPN 路由 - 需要相同 QoS 处理的流量 - 需要走相同 TE 隧道的流量

核心思想：同一个 FEC 的所有数据包在 MPLS 域内走相同的 LSP，获得相同的标签。

2.3 LSP（标签交换路径）

LSP = 沿着 MPLS 域的、从入口到出口的标签转发路径

    LSP（标签交换路径）
Ingress Transit Egress
LSR LSR LSR
(LER) (LSR) (LER)
IP包
push label swap label pop label
  • Ingress LSR（入站 LSR）：数据包进入 MPLS 域的第一个路由器，负责压入标签（Push）
  • Transit LSR（中间 LSR）：中间路由器，负责交换标签（Swap）
  • Egress LSR（出站 LSR）：数据包离开 MPLS 域的最后一个路由器，负责弹出标签（Pop）

三、MPLS 的转发过程

3.1 经典转发示例

网络拓扑：
R1 ---- R2 ---- R3 ---- R4
目标网络：10.0.0.0/24 挂在 R4 下

标签分配（假设使用 LDP）：
  R4 为 10.0.0.0/24 分配标签 100 ← 本地有意义
  R3 为 10.0.0.0/24 分配标签 200
  R2 为 10.0.0.0/24 分配标签 300

转发过程：
  数据包从 R1 → R2（Ingress）→ R3（Transit）→ R4（Egress）→ 目标

  R1 发送普通 IP 包
    │
  R2（Ingress）：
    │  路由查找 → 匹配标签转发表
    │  压入标签 300 → 发送到 R3
    │
  R3（Transit）：
    │  收到标签 300
    │  标签查找 → 交换为标签 100
    │  发送到 R4
    │
  R4（Egress）：
    │  收到标签 100 → 这是自己分配的标签
    │  弹出标签 → 恢复为普通 IP 包
    │  正常 IP 转发到 10.0.0.0/24

3.2 标签操作类型

操作 含义 发生位置
Push 压入新标签（在已有的标签栈顶部添加） Ingress LSR
Swap 交换标签（用新标签替换栈顶标签） Transit LSR
Pop 弹出标签（移除栈顶标签） Egress LSR

四、LSR（标签交换路由器）的角色

4.1 LSR 分类

MPLS 域 LER LSR LER ▶ push ──▶ swap ──▶ pop ─▶

LER（Label Edge Router） LSR（Label Switching Router） = 边界 LSR = 核心 LSR = 进行 IP 路由查找 + 标签操作 = 仅做标签交换

4.2 LSR 的标签转发动作

标签转发表（LFIB - Label Forwarding Information Base）：

  Incoming Label  Outgoing Label  Outgoing Interface  Next Hop
  ──────────────  ──────────────  ──────────────────  ────────
  300             100             GE0/0/1             10.1.1.2
  500             - (pop)         GE0/0/2             10.1.2.2
  - (untagged)    200             GE0/0/0             10.1.0.2

说明：
  第一行：入标签 300 → 交换为 100 从 GE0/0/1 发出
  第二行：入标签 500 → 弹出标签（PHP 机制）
  第三行：无标签的 IP 包 → 压入标签 200 转发

五、MPLS 的优势总结

优势 说明
转发速度 基于固定的标签查找，比 IP 最长匹配更快
支持多服务 标签栈支持 VPN、TE、QoS 等多层能力
与上层协议无关 标签交换不关心上层是 IPv4、IPv6 还是其他协议
流量工程 可以显式指定 LSP 路径，而非 IP 的逐跳决策
VPN 隔离 通过多标签栈实现 L3VPN/L2VPN 业务隔离
解决 BGP 黑洞 MPLS 保证 BGP 路由在中间节点也能正确转发

六、MPLS 与 IP 转发的对比

对比维度 IP 转发 MPLS 转发
转发依据 目的 IP 地址最长匹配 固定长度标签（精确匹配）
路由与转发 耦合（每跳都要路由） 分离（边缘路由、核心交换）
路径控制 逐跳独立决策 可以指定端到端路径
QoS 集成 需要单独机制 EXP 位内嵌在标签中
VPN 复杂（IP + GRE） 天然支持（两层标签）

七、总结

知识点 核心要点
MPLS 本质 标签交换，路由与转发分离
标签 4 字节固定长度本地标识，含 Label/Exp/S/TTL
FEC 一组按相同方式转发的数据包
LSP 标签交换路径，由 ingress 到 egress
LSR 类型 Ingress（Push）/ Transit（Swap）/ Egress（Pop）
LFIB 标签转发信息表，入标签→出标签的映射

八、思考

  1. MPLS 为什么比传统 IP 转发更快？
  2. 标签中的 S 位（栈底标识）有什么作用？
  3. 什么情况下路由器会执行 Pop 操作？
  4. FEC 的划分依据有哪些？举例说明。
  5. 为什么说 MPLS "将路由和转发分离"？

下篇预告：第154篇《MPLS 标签分配协议——LDP 工作原理》——MPLS 中的标签是如何自动分配的？LDP 如何建立邻居关系并分发标签？