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多协议标记交换（MPLS）技术研究<1>（王俊芳、妥艳君）
摘要 主要介绍了多协议标记交换（MPLS）技术的基本概念、网络构成和工作原理，在此
基础上，提出了实现MPLS交换机路由器的关键技术。
关键词 标记 转发等效类 标记分发协议（LDP） 多协议标记交换（MPLS）
随着互连网在全球范围内的日益普及，特别是多媒体IP业务对传输信道的要求越来越宽，
服务质量要求越来越高，用宽带ATM网络承载IP业务成为重要的技术发展方向。目前虽然存在
多种ATM网络承载IP业务技术方案（如CIPOA、MPOA等），但MPLS技术被公认为是最有发展前途
的一种。多协议标记交换的最大特点是：同时可以支持多协议，也就是说它不仅可以支持多种
上层网络协议，包括IP、IPX等，而且可以运行于不同底层的网络之上。
1．MPLS的基本概念
现有互连网是由路由器加专线构成的，IP数据包在所经过的每个路由器节点都要进行目的
IP地址的最大匹配和选路，因此要求每个节点的路由器功能及能力都很强。但随着目前线路速
率和通信业务量的增长，负责寻路和转发功能的路由器已成为网络的瓶颈。为了解决传统路由
器转发速度低这一问题，业界采取了一系列提高路由器转发速度的措施，如采用效率更高的算
法和数据结构、速度更高的处理器以及一些专用集成电路等，但这些措施增加了每个节点的成
本，因而使得建网费用较高，而多协议标记交换提供了更好的解决方案，它把整个网络的节点
设备分为两类：即标记边线路由器（LER）和标记交换路由器（LSR），由LER构成MPLS网的接
入部分，LSR构成MPLS网的核心部分。LER发起或终止标记交换通道（LSP）连接并完成传统IP
数据包转发和标记转发功能。人口 LER完成IP包的分类、寻路、转发表和LSP表的生成、FEC
（转发等效类）至标记的映射。出口LER终止LSP，并根据弹出的标记转发剩余的包。LSR只是
根据交换表完成转发功能。这样所有复杂功能都在LER内完成，LSR只完成高速转发功能。其优
点是网络简单、易于扩展、建网费用低。
1.1 MPLS的封装
为了能够在数据包中携带标记栈信息，需要在封装中引入标记栈字段。MPLS为底层的键路
规定了不同的填充装格式。在MPLS专用的环境中，也就是在以太网和点到点这样的链路上，采
用了“shim”封装。shim位于第三层协议和第二层协议头之间，与两层协议无关，因而被称为
通用MPLS封装。
通用MPLS封装包括标记栈、TTL和CoS（分
类、排队、规划）等字段。
1.2 MPLS的层次化结构
层次化结构对于提高网络的可扩展性是非常重要的。对于MPLS而言，要实现层次化结构，
有三项工作必须完成：一是标记分发协议必须能够透过其它节点传递标记信息；二是必须在数
据包中传递标记栈信息，也就是说数据包必须同时携带多层标记信息；三是必须让LSR知道何
时可使用分层标记，也就是必须配置路径的两个端节点，以便它们能够完成“换层”的处理。
第一项和第三项工作都由标记分发协议（LDP）完成。
2 MPLS的网络构成
MPLS网络由标记边线路由器（LER）和标记交换路由器（LSR）组成。通过标记分发协议
（LDP）在节点间完成标记信息的分发。在LER之间、LSR之间、LER与LSR之间依次需要运行路
由协议（如OSPF、BGP等），它们通过路由协议来获取网络拓扑信息，并根据这些信息决定数
据包的下一跳（在第三层转发时）或交换路径如何建立（在第二层转发）。
一个路由城内可以同时包含MPLS节点和非MPLS节点，标记信息只在MPLS的相邻节点间传
递。MPLS的两个节点间若有非MPLS的ATM或帧中继交换机，则以PVP或PVC将两个MPLS节点连通。
3 MPLS工作原理
建立MPLS通信网的目的就是为连接到该网的用户建立一条交换路径，MPLS支持四种交换路
径：点到点、多点到点、点到多点和多点到多点。
建立交换路径涉及标记分配和标记分发两方面的内容。
3.1标记分配
标记分配分为上游分配、下游分配和按需下游分配三种。LDP只规定了其中两种：下游分
配和下游按需分配。下游分配模式是由下游节点发起标记的分配和分发过程，而下游按虎分配
模式则是由上游节点发起申请，由下游节点完成标记的分配和分发。在ATM环境下通常使用下
游按需分配模式。
不论何种分配模式，都存在如何启动其分配的问题。也就是标记分配的驱动力问题。MPLS
使用了三种标记分配的驱动力：拓扑驱动、基于申请的控制驱动和业务流驱动。
拓扑驱动是指依靠路由协议控制信息来驱动标记的分配，进而完成交换路径的建立。因为
标记是预分配的，路径是预建立的，所以在数据到达时可以以及快的速度转发。使用抗扑驱动
的技术有标签交换、ARIS等。
基于申请的控制驱动是指由基于申请的控制信息驱动标记的分配过程，这种驱动方式与拓
扑驱动一样具有路径预建立的优点，但比拓扑驱动耗费更多的标记资源，这种方式非常适用于
有特殊质量需求的业务。基于申请的控制业务流有RSVP。
业务流驱动的优点是可以避免不必要的标记资源的占用，但因为业务流驱动是业务流到达
时临时建立交换路径和进行标记分配，所以部分数据包的转发速度会比较低，同时它还要求交
换机有较高的处理能力（建立路径的同时还需处理数据转发）。CSR和Ipsilon使用的是业务流
驱动的方式。
3.2标记分发
MPLS使用了两种标记分发方式，即用控制消息携带和使用专用标记分发协议。虽然使用专
用标记分发协议会使路由的分发和标记的分发分离，但是因为使用控制消息存在诸如无法协商
标记的可用范围、无法处理无效的标记分配等问题。因此建议采用专用标记分发协议（LDP）。
（1）标记分发过程
LDP用四类消息完成标记的分发过程，它包括发现消息、会活消息、公布消息、通知消息。
标记分发协议的运行也可以分为三个阶段：
·发现阶段：在这个阶段里，LSR可以自动发现它的LDP对等，而无需进行人工配置。LDP
将发现机制分为两种：一是基本发现机制，用来发现本地的LDP对等；二是扩展的发现机制，
用来发现远地的LDP对等。
基本发现机制通过在LDP键路上周期性地发送“Hello”包来通知相邻节点本地对等关系。
这个“Hello”按UDP发送，目的协议地址为所有路由器的组括组地址，UDP端口号为公认的LDP
发现端口号。“Hello”包的接收方会将这个对等关系标识为链路层可达。
扩展的发现机制则由LSR周期性地发送特定IP地址的“Hello”包。“Hello”按UDP发送，
目的协议地址为特定的IP地址，UDP端口号为公认的LDP发现端口号。“Hello”包的接收方会
将这个对等关系标识为网络局可达。
·会话建立阶段：在两个LSR交互发现“Hello”包后，就会启动LDP会话建立阶段。会话
建立阶段又划分为两个子阶段——建立传输层连接和初始会活。建立传输层连接就是在两个
LSR之间建立TCP连接，而初始会话就是通过交互LDP初始化消息来协商会活的参数，包括LDP
协议版本、标记分发的方法、定时器值、标记的范围（当底层使用ATM网络时是VPI／VCI范围，
当底层使用帧中继网络时则是DLCI范围）等。
·会话的维持和删除：LDP通过监测会话传输连接上 LDP PDU的接收情况来判定会话连接
是否完整。一个LSR为每个会活保持一个“保持存活”定时器，当从该会活上接收到一个LDP
PDU时，“保持存活”定时器会刷新。如果“保持存活”定时器到时，则LSR认为该传输连接
中断，该对等失效，并由此关闭传输层连接，从而终止这个对等会话。
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