计算机网络（30）多协议标签交换MPLS

前言

多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）是一种在开放的通信网上利用标签引导数据高速、高效传输的新技术。

一、基本概念

MPLS是一种第三代网络架构技术，旨在提供高速、可靠的IP骨干网络交换。它通过将IP地址映射为简短的、具有固定长度的标签，简化了数据包的转发过程。这些标签在数据包进入网络时被分配，并在整个转发过程中被用来指引数据包的路径。MPLS支持多种网络层协议，并且可以与第二层的多种数据链路层技术兼容，从而实现了高度的灵活性和可扩展性。

二、工作原理

标签分配：当数据包进入MPLS网络时，边缘路由器（LER）会为其分配一个或多个标签。这些标签通常基于数据包的IP地址、端口号或其他标识符来生成。
标签交换：在MPLS网络的内部，标签交换路由器（LSR）会根据数据包的标签来决定其转发路径。LSR不会检查数据包的IP头部或其他层的信息，而是仅根据标签进行转发。这大大减少了路由器在处理数据包时的计算量，提高了转发效率。
标签移除：当数据包离开MPLS网络时，边缘路由器会移除其标签，并将其转发到下一个目的网络。

三、技术特点

流量工程：MPLS允许网络管理员控制数据流的路径，从而优化网络资源分配。这可以确保关键应用获得优先处理，同时避免网络拥塞和瓶颈。
负载均衡：MPLS可以同时使用多条标签交换路径（LSP）来承载同一个用户的IP业务流，合理地将用户业务流分摊在这些LSP之间，从而提高了网络的吞吐量和可靠性。
路径备用：MPLS支持路径备用功能，即可以同时配置两条LSP，一条处于激活状态，另一条处于备用状态。一旦主LSP出现故障，业务会立刻导向备用的LSP，从而保证了网络的连续性和可靠性。
故障恢复：当一条已建立的LSP在某一点出现故障时，MPLS会触发故障恢复机制，重新建立一条LSP来替代故障LSP，确保用户业务的连续性。
路径优先级及碰撞处理：在网络资源匮乏的时候，MPLS可以通过设置LSP的建立优先级和保持优先级来保证优先级高的业务优先使用网络资源。这有助于确保关键应用程序的性能和稳定性。

四、网络组成

MPLS网络由LER和LSR组成。LER负责将流量引入MPLS网络，并为数据包分配标签。LSR则负责在网络内部进行标签交换，根据标签将数据包转发到下一个LSR或LER。MPLS网络的基本组成单元是LSP，它是沿着从源端到终端的路径上的结点的标签序列。

五、协议结构

Label：标签值，用于标识数据包的转发路径。
Exp：实验位，用于表示数据包的优先级。
S：栈底位，用于标识标签栈中的最后一个标签。
TTL：生存期字段，用于防止数据包在网络中无限循环。

此外，MPLS还使用一系列协议来支持其运作，包括标签分发协议（LDP）、基于路由受限标签分发协议（CR-LDP）和基于流量工程扩展的资源预留协议（RSVP-TE）等。这些协议负责在MPLS网络中分发和管理标签。

六、应用场景

企业网络：企业可以利用MPLS创建自己的专用网络，实现安全的点对点数据传输。这有助于优化带宽使用，提高网络效率和可靠性。
服务提供商网络：ISP可以使用MPLS技术作为其网络的核心部分，为客户提供高质量的服务，包括互联网接入、托管服务和数据中心连接等。
数据中心互联：MPLS可以用于数据中心之间的高速、安全互联，支持云计算和大数据应用的需求。
虚拟专用网络（VPN）：MPLS支持构建企业级的虚拟专用网络，提供安全且隔离的网络环境。这适用于企业内部通信和远程办公等场景。
移动网络：移动运营商可以采用MPLS技术来承载4G/LTE和未来的5G网络，提供稳定的数据回程服务。

七、优缺点

优点：

提高网络性能：MPLS可以优化网络流量，提供更好的控制和可靠性，并加快数据包的路由和传输速度。
简化网络管理：MPLS通过引入标签简化了数据包的转发过程，降低了路由器的计算量。这有助于简化网络管理，减少运营成本。
支持多种协议和服务：MPLS支持多种网络层协议和服务，提高了网络的灵活性和可扩展性。

缺点：

复杂性：MPLS网络的配置和管理相对复杂，需要专业的知识和技能。这增加了网络部署和运维的难度。
成本较高：由于MPLS需要专用的网络基础设施和高端路由器等设备，因此其成本相对较高。这限制了MPLS在一些预算有限的应用场景中的推广。