第156篇：MPLS 转发过程——标签压入、交换、弹出

关键词

MPLS 转发、标签压入（Push）、标签交换（Swap）、标签弹出（Pop）、标签栈、LFIB、ILM

一、MPLS 数据面与转发模型

前几篇我们了解了 LDP 如何分发标签，本文从数据面的角度，完整追踪一个 IP 包在 MPLS 域中的转发过程。

1.1 关键概念：标签栈（Label Stack）

MPLS 支持多层标签，最多可嵌套数层。每一层标签是一个 4 字节的条目：

IP 数据包（不带标签）
┌─────────────────┐
│     IP 报文      │
└─────────────────┘

单层标签（MPLS 基本转发）

双层标签（MPLS VPN 等场景）

• S 位标识栈底（1 = 最后一层标签）
• 标签栈可以嵌套，用于：外层（隧道标签）+ 内层（VPN 标签）

二、三种标签操作全解析

2.1 Push（压入）

操作：在标签栈顶部添加一个新标签。

操作前： ┌─────────────────────┐ │ IP 报文 │ └─────────────────────┘

PUSH Label = 100： | Label 100 | IP 报文 | ← S=1（栈底） | | --- | --- | --- |

执行位置：Ingress LSR（数据包进入 MPLS 域时）

R1（普通 IP）→ R2（Ingress LSR）：检查路由 → "目标匹配 MPLS 转发"
→ 查找 LFIB → push 标签 300 → 发送到 R3

2.2 Swap（交换）

操作：用新标签替换栈顶标签，栈的深度不变。

操作前： | Label 300 | IP 报文 | ← S=1 | | --- | --- | --- |

SWAP Label 300 → Label 200： | Label 200 | IP 报文 | ← S=1 | | --- | --- | --- |

执行位置：Transit LSR（中间节点）

R3（Transit LSR）：
  收到标签 300 → 查 LFIB → 出标签 200
  → 交换（300 → 200）→ 发送到 R4

2.3 Pop（弹出）

操作：移除栈顶标签。如果是栈底标签（S=1），弹出后恢复为 IP 包。

操作前： | Label 200 | IP 报文 | ← S=1 | | --- | --- | --- |

POP： ┌─────────────────────┐ │ IP 报文 │ └─────────────────────┘

执行位置：Egress LSR（数据包离开 MPLS 域时）

R4（Egress LSR）：
  收到标签 200 → 查 LFIB → 操作为 Pop
  → 弹出标签 → 恢复 IP 包 → 普通 IP 转发

三、完整转发过程（逐跳详解）

3.1 场景设定

网络拓扑： R1 ── R2 ── R3 ── R4 │ 10.0.0.0/24

路由及标签信息：

节点 LFIB 条目 R1 路由：10.0.0.0/24 via R2（下一跳） 无 MPLS 标签（普通 IP 转发） R2 入标签：- 出标签：200 下一跳：R3 (Ingress) R3 入标签：200 出标签：100 下一跳：R4 (Transit) R4 入标签：100 出标签：- 弹出标签 (Egress)

3.2 转发过程

步骤 1：R1 发送 IP 包
  R1 ───────────── IP（src=192.168.1.1, dst=10.0.0.1）──────────▶ R2
  R1 不知道 MPLS，只做普通 IP 路由

步骤 2：R2（Ingress）压入标签
  R2 收到 IP 包
    ① IP 路由查找 → 匹配 10.0.0.0/24，下一跳为 R3
    ② 发现该 FEC 有 MPLS 标签绑定
    ③ 查 LFIB：入标签=none，出标签=200，下一跳=R3
    ④ 执行 Push：压入标签 200
    ⑤ 沿链路转发

  R2 ─────── MPLS（Label=200）───────▶ R3

步骤 3：R3（Transit）交换标签
  R3 收到带标签 200 的包
    ① 查 LFIB：入标签=200 → 出标签=100，下一跳=R4
    ② 执行 Swap：把标签 200 换成 100
    ③ 沿链路转发

  R3 ─────── MPLS（Label=100）───────▶ R4

步骤 4：R4（Egress）弹出标签
  R4 收到带标签 100 的包
    ① 查 LFIB：入标签=100 → 操作=Pop
    ② 执行 Pop：移除标签
    ③ 恢复为普通 IP 包
    ④ 查 IP 路由表 → 匹配 10.0.0.0/24 → 从出接口转发

  R4 ───────────── IP（src=192.168.1.1, dst=10.0.0.1）──────────▶ 目标网络

四、ILM（Incoming Label Map）和 NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry）

4.1 ILM 和 NHLFE 的关系

MPLS 转发依赖于两个重要的数据结构：

              ILM                                NHLFE

4.2 完整的标签查找流程

收到带标签的分组
       │
       ▼
提取入标签（栈顶）
       │
       ▼
查 ILM
       │
       ▼
获取 NHLFE 条目：操作（Swap/Pop）、出标签、出接口、下一跳
       │
       ▼
执行标签操作
       │
       ▼
封装新的 MAC 头部 → 发送

五、隐式空标签（Implicit NULL）与 PHP

隐式空标签（Implicit NULL，标签值 = 3）是 PHP（Penultimate Hop Popping）机制的核心，详见第157篇。这里只简述在转发中的作用：

没有 PHP 的转发（Egress 承担额外负载）：
  R2（push 200）→ R3（swap 100）→ R4（pop 100 + IP 转发）

有 PHP 的转发（Egress 只做 IP 转发）：
  R2（push 200）→ R3（pop → 裸 IP）→ R4（仅 IP 转发）

PHP 让 Egress LSR 免于做标签查找，直接做 IP 转发，降低了 Egress 的负担。

六、双层标签转发（VPN 场景预览）

在 MPLS VPN（L3VPN）中，通常使用两层标签：

外层标签（隧道标签） 内层标签（VPN 标签） ↓ ↓ | LDP标签 (L2→L3) | VPN标签 (L3→L4) | IP 报文 | | --- | --- | --- | S=0 S=1

转发过程：

PE1（Ingress）：
  push VPN 标签（内层）
  push LDP 标签（外层）
  → P 节点

P（Transit）：
  只交换外层标签（LDP）
  不看内层 VPN 标签 → 透明传输

PE2（Egress）：
  PHP 弹出外层标签 → 看到内层 VPN 标签
  根据 VPN 标签找到对应 VRF → 解封装 IP → IP 转发到 CE

七、MPLS 转发 vs IP 转发对比

八、总结

九、思考

1. MPLS 域中有哪三种标签操作？分别由哪类 LSR 执行？
2. 什么是 ILM？什么是 NHLFE？两者之间的关系是什么？
3. 在两层标签的转发过程中，Transit LSR 对内层标签做什么操作？
4. 为什么 Egress LSR 不需要做标签查找（PHP 之后）？
5. MPLS 标签查找和 IP 路由查找的根本区别是什么？

下篇预告：第157篇《PHP（次末跳弹出）机制》——为什么 MPLS 需要在次末跳就弹出标签？Implicit NULL 和 Explicit NULL 有什么区别？