第153篇：MPLS 基本概念：标签、LSP、FEC

关键词：MPLS、标签交换、LSP、FEC、标签栈、数据平面、控制平面

一、引言

MPLS（Multiprotocol Label Switching，多协议标签交换）是现代运营商网络和大型企业骨干网的核心技术。它巧妙地将二层交换的高速转发与三层路由的灵活选路相结合，通过简短的固定长度标签替代传统的 IP 最长前缀匹配查找，显著提升了数据平面转发效率。理解 MPLS 的基本概念，是后续深入 L3VPN、流量工程、SRv6 等高级技术的基石。

二、核心概念

2.1 MPLS 标签（Label）

MPLS 标签是一个 32 位的固定长度字段，插入在二层帧头和三层报文头之间（即"标签头"或"Shim Header"）。标签没有全局意义，仅在相邻两个 LSR（Label Switch Router）之间的链路上局部有效。

MPLS 标签头结构：

字段 长度 说明
Label 20位 标签值（0-15为保留标签，15为隐式空标签，16及以上为普通标签）
EXP 3位 实验用，通常用于 QoS 优先级（映射 DSCP/CoS）
Bottom of Stack 1位 栈底标志，1=最后一层标签（单层时=1）
TTL 8位 生存时间，每经过一个 LSR 减 1

2.2 FEC（Forwarding Equivalence Class）

FEC 是 MPLS 的核心理念之一。它将被归类到同一集合的数据包视为"等价"，为这些数据包分配相同的标签，沿相同的路径转发。FEC 的粒度可以是：

  • 一条路由前缀（如 10.1.1.0/24）
  • 一个 FEC128（精确的 IPv4 前缀加掩码）
  • 一个流量工程隧道（CR-LSP）
  • 一个 VPNv4 路由（VPN 实例内的路由）

核心理解：标签是对 FEC 的局部标识。不同链路上的同一 FEC 可能使用不同的标签值，但属于同一 FEC 的数据包始终沿相同路径转发。

2.3 LSP（Label Switched Path）

LSP 是标签交换路径，是从入口 LSR（Ingress/LESR）到出口 LSR（Egress/LER）的一系列标签转发的链式路径。LSP 的建立不依赖数据流的存在（无连接），而是由控制平面预先建立。

LSP（Label Switched Path） - 图示

2.4 标签操作：Push、Swap、Pop

MPLS LSR 对标签执行三种基本操作：

操作 执行者 说明
Push（压入） Ingress LSR 在 IP 报文上添加标签头，进入 MPLS 域
Swap（交换） Transit LSR 将入标签替换为出标签，沿下一跳转发
Pop（弹出） Egress LSR / Penultimate Hop 移除标签头，恢复原始 IP 报文

2.5 LSR 角色分类

角色 英文全称 职责
LER Label Edge Router 边缘路由器，负责标签压入和弹出
LSR Label Switch Router 核心路由器，负责标签交换
Ingress LER 入口边缘 将 IP 报文压入标签，发起 LSP
Egress LER 出口边缘 弹出标签，基于 IP 路由表转发
Transit LSR 过境 LSR 仅做标签交换，不查看 IP 头部

三、技术细节

3.1 MPLS 标签分发与控制平面

MPLS 的数据平面负责标签转发，控制平面负责标签分发和 LSP 建立。控制平面的实现方式包括：

控制平面 协议 特点
LDP Label Distribution Protocol 基于IGP最短路径，逐跳标签分发
RSVP-TE Resource Reservation Protocol 支持带宽预留和显式路径
Segment Routing SR-MPLS / SRv6 源路由，简化扩展

MPLS 标签分发与控制平面 - 图示

3.2 标签空间（Label Space）

MPLS 支持两种标签空间模型：

标签空间 范围 特点
接口标签空间 每接口独立 同一标签值在不同接口上可代表不同 FEC
路由器标签空间 全局唯一 同一标签值在全局代表同一 FEC（默认）

华为设备默认使用路由器级标签空间，同一台设备上的所有接口共享同一套标签映射。

3.3 标签保留方式

保留方式 说明
有序方式（Ordered） 仅在收到下游标签映射或自身为 FEC 出口时才向上游分发标签
独立方式（Independent） 随时可以向上游分发标签，不依赖下游或路由状态

LDP 协议同时支持两种方式：本地使用独立方式生成标签绑定，使用有序方式向上游分发标签映射。

3.4 标签栈（Label Stack）

MPLS 支持标签栈操作，即在同一帧中压入多层标签。外层标签（外层 FEC）决定传输路径，内层标签（内层 FEC）决定最终交付。典型的二层标签场景包括：

  • MPLS TE + L3VPN：外层 TE 隧道标签 + 内层 VPN 标签
  • MPLS TE + LDP：外层 TE 标签 + 内层 LDP 标签
  • L2VPN：外层 PW（伪线）标签 + 内层客户标签

四、实战配置/案例分析

4.1 华为设备 MPLS 基础配置

# 在华为 NE40E 上启用 MPLS

<NE40E> system-view
[NE40E] sysname Core-LSR1

# 全局启用 MPLS 和 LDP
[Core-LSR1] mpls
[Core-LSR1-mpls] mpls ldp

# 接口上启用 MPLS
[Core-LSR1] interface 10GE 1/0/1
[Core-LSR1-10GE1/0/1] mpls
[Core-LSR1-10GE1/0/1] mpls ldp

# 基于接口 IP 建立 LDP Session
[Core-LSR1-mpls] mpls ldp discovery hello-interface 10GE 1/0/1

# 或者基于 IGP 自动发现（推荐）
[Core-LSR1-mpls] mpls ldp auto-config enable

4.2 查看 MPLS 标签信息

# 查看标签信息库（LIB）
<Core-LSR1> display mpls ldp label-stream
  Total items displayed: 15

# 查看标签转发表（LFIB）
<Core-LSR1> display mpls lsp
  Total exists 12 lsp(s).
  InBlock  InGap    OutBlock OutGap   Label  Lib  LSPType
  1024     1034     16       1023     -      -    Dynamic

  NLRR: 10.1.1.2
  IN  OUT    INLBL   OURLBL   FEC
  10GE1/0/1 *      1025    Impnul   10.1.1.2/32
  10GE1/0/2 10GE1/0/1 1026    1030    10.1.1.3/32
  10GE1/0/2 10GE1/0/1 1027    1031    192.168.1.0/24

# 查看 LDP 邻居
<Core-LSR1> display mpls ldp peer
  Peer count: 2
  Peer: 10.1.1.2 (Local Interface: 10GE1/0/1)
    State: Operational
    LabelDSP: DoD

4.3 故障排查案例：MPLS LSP 未建立

故障现象：两台核心路由器之间 MPLS LSP 状态为 Null，流量无法正常标签转发。

排查过程：

# Step 1: 检查 LDP Session 状态
<Core-LSR1> display mpls ldp peer
  Peer: 10.1.1.2
  State: Init     # 异常！应为 Operational

# Step 2: 检查 LDP 报文收发
<Core-LSR1> display mpls ldp session
  LDP Session: 10.1.1.1 <-> 10.1.1.2
    Session State: Init
    HoldTime: 0/15
    # HoldTime为0说明Hello报文未收到

# Step 3: 检查接口 MPLS 状态
<Core-LSR1> display mpls interface
  Interface: 10GE1/0/1
    MPLS: Enabled
    LDP: Enabled

# Step 4: 使用 ping mpls 验证
<Core-LSR1> ping -a 10.1.1.1 ldp-target 10.1.1.2
  # 全部超时

# 根因定位：ACL 过滤了 LDP 协议报文（UDP 646 / TCP 646）
# 在防火墙上放行 LDP 端口后，LDP Session 恢复正常

五、总结

项目 要点
标签 32位固定长度，20位标签值+3位EXP+1位栈底+8位TTL
FEC 等价转发类，同一FEC的数据包使用相同标签沿相同路径转发
LSP 标签交换路径，由控制平面（LDP/RSVP/SR）建立，数据平面转发
三种操作 Push（入口压入）、Swap（中转交换）、Pop（出口弹出）
控制平面 LDP（最短路径）、RSVP-TE（显式路径+带宽）、SR（源路由）

思考

  1. MPLS 标签只有 20 位，如果网络中的 FEC 数量超过 2^20，怎么办？MPLS 是如何解决标签数量限制的？
  2. 为什么 MPLS 标签只在相邻 LSR 之间局部有效，而不是全局有效？这种设计带来了什么好处？
  3. FEC 的粒度可以是路由前缀，也可以是流量工程隧道。当同一流量同时匹配 LDP FEC 和 TE 隧道 FEC 时，MPLS 如何选择？

下篇预告：第154篇：MPLS 标签分配协议：LDP 工作原理