1.2 MPLS基本工作原理
MPLS技术基本工作原理方面主要涉及MPLS标签动作、MPLS报文转发流程，以及对MPLS报文中TTL的处理两个方面。
1.2.1 MPLS标签动作
MPLS 基本转发过程中涉及一些标签操作，主要包括标签压入（Push）、标签交换（Swap）和标签弹出（Pop）这三个动作。
（1）Push：标签压入动作，可能会在Ingress或Transit节点上发生。
标签压入动作是指在IP报文的二层协议头和IP报头之间插入一个MPLS标签（如图1-13的上图所示），或者是在现有标签栈顶部再增加一个新的出标签（如图1-13的下图所示），即标签嵌套封装，如BGP/MPLS IP VPN的Ingress节点可能会在一个IP报文中同时压入多层公网或私网MPLS标签。
（2）Swap：标签交换动作，会在Transit节点发生。
当MPLS报文在MPLS域内转发时，Transit节点根据标签转发表LFIB的查找，匹配到相应的表项后，用下一跳分配的出标签交换 MPLS 报文中原有的栈顶标签。原有MPLS报文中可以携带一层或多层MPLS标签，但仅交换最外层的标签。图1-14中上、下图所示分别是对携带单层标签和双层标签MPLS报文中的栈顶标签进行交换的示例。
图1-13 标签压入动作的两种情形
图1-14 标签交换动作的两种情形
（3）Pop：标签弹出动作，会在倒数第二跳Transit节点或Egress节点发生。
当MPLS报文离开MPLS域时，Egress节点将MPLS报文外层的标签剥离，使后续的报文转发按照IP路由进行（弹出标签后报文中无标签时，如图1-15中的上图所示），或者按照余下的标签进行（弹出标签后报文仍有其他标签时，如图1-15中的下图所示）。也可以利用PHP（Penultimate Hop Popping，倒数第二跳弹出）特性，在倒数第二跳节点处将标签弹出，减少最后一跳的负担，使最后一跳节点直接进行IP路由转发或者下一层标签转发。
图1-15 标签弹出动作的两种情形
默认情况下，华为设备支持PHP特性，支持PHP的Egress节点分配给倒数第二跳节点的标签值为3。
以下以支持PHP的LSP为例，说明MPLS报文的基本转发过程。在单纯的LDP LSP隧道环境下，MPLS报文最多仅带一层MPLS标签，从上游节点进入本地节点的入接口时携带的是上游节点分配给该FEC的出标签（也是本地节点对应的入标签），从本地节点出接口向下游节点发送时携带的是本地节点分配给对应FEC的出标签。
如图1-16所示，MPLS标签已分发完成，建立了一条LSP，其目的地址为4.4.4.2/32，其MPLS报文的基本转发过程如下。
（1）Ingress节点收到目的地址为4.4.4.2的IP报文后，首先根据FIB找到对应的下一跳，发现下一跳是LSR标签设备（如果发现下一跳是IP设备时会直接按FIB表项进行IP转发），并且因为本节点是入节点，所以在进行报文转发前需要进行标签压入动作，需压入的标签是根据FEC 4.4.4.2与标签的映射关系找到的（为Z，作为出标签），然后把MPLS报文从压入的标签所映射的出接口转发出去。
图1-16 MPLS报文基本转发示例
（2）Transit节点收到该标签的MPLS报文后，根据LFIB找到对应入标签（上一节点的出标签就是本节点的入标签）所映射的出标签、出接口，先进行标签交换（无需查看IP报头的目的地址），即用本地为FEC 4.4.4.2/32分配的出标签（Y）替换报文中原来的MPLS标签（Z），然后从找到的出标签所映射的出接口转发出去。
（3）倒数第二跳Transit节点收到MPLS报文后，同样根据LFIB找到对应入标签所映射的出标签、出接口，先用本地为FEC 4.4.4.2/32分配的出标签（通常为3）替换原来的MPLS标签，然后准备从出标签3所映射的出接口转发出去。但是因为Egress分给其的出标签值为3（这是一个特殊的标签，必须弹出，参见表1-1说明），所以需要先进行PHP操作，弹出出标签（此时报文已不带MPLS标签了），并根据自己的出标签3所映射的接口转发报文。
（4）Egress节点收到无MPLS标签的IP报文后，直接根据对应的IP路由表项把数据传输给目的主机4.4.4.2/32。
1.2.2 MPLS报文转发涉及的基本概念
1.2.1节所介绍的只是MPLS报文的基本转发流程，具体的转发流程还涉及一些其他的技术细节，所涉及的相关概念如下。
（1）Tunnel ID
为了给使用隧道的上层应用（如VPN、路由管理）提供统一的接口，系统会自动为隧道分配一个ID（在出节点上也可手动配置），也称为Tunnel ID。该Tunnel ID的长度为 32 比特，只有本地意义，即只要本地设备上唯一即可，同一条隧道中的不同节点的Tunnel ID可以一样。
（2）NHLFE
NHLFE（Next Hop Label Forwarding Entry，下一跳标签转发表项）用于指导MPLS报文的转发。NHLFE 包括：Tunnel ID、出接口、下一跳、出标签、标签操作类型等信息，可根据出标签找到对应的出接口及下一跳，进行报文转发。
FEC与NHLFE的映射称为FTN（FEC-to-NHLFE）。通过执行display fib命令查看FIB表中Tunnel ID值不为0x0的转发表项，能够获得FTN的详细信息。
FTN只在Ingress存在，因为只在Ingress节点需要用到FEC中的分类信息来查找所需压入的出标签，然后再根据该出标签所映射的 NHLFE 找到对应的出接口及下一跳，进行报文的转发。后面的节点都是直接根据 MPLS 报文中所携带的出标签，在 NHLFE中找到与出标签映射的出接口及下一跳信息进行报文转发。
（3）ILM
入标签与NHLFE（下一跳标签转发表项）的映射称为ILM（Incoming Label Map，入标签映射），其使本地设备的入标签和出标签、Tunnel ID建立对应的关联关系。ILM包括：Tunnel ID、入标签、入接口、标签操作类型等信息。
ILM在Transit节点的作用是将入/出标签和NHLFE绑定。通过标签索引ILM表，就相当于使用目的IP地址查询FIB，能够得到所有的标签转发信息。
下面以图1-17所示的示例介绍MPLS报文详细的转发过程。
图1-17 MPLS报文转发详细流程示例
当IP报文从Ingress节点进入MPLS域时，首先查看FIB表，检查目的IP地址对应的Tunnel ID值是否为0x0。
如果Tunnel ID值为0x0，则进入正常的IP转发流程。
如果Tunnel ID值不为0x0，则进入MPLS转发流程。
在MPLS转发过程中，FIB、ILM和NHLFE表项都是通过Tunnel ID关联的。
1.2.3 MPLS报文转发流程
MPLS报文在骨干网中不同节点的具体转发流程有所不同，下面分别予以介绍。
1.Ingress节点的转发流程
在Ingress节点上通过查询FIB表和NHLFE表指导报文的转发。
（1）首先根据 IP报文的目的 IP地址查看 FIB表，即查看与目的 IP地址对应的Tunnel ID。如果需要采用MPLS转发，则Tunnel ID值肯定不为0。
（2）然后根据FIB表的Tunnel ID找到对应的NHLFE（下一跳标签转发表项），在LSP 已建立的情况下，可在 NHLFE 查看到对应的出接口、下一跳、出标签和标签操作类型（此时为Push）。
（3）在IP报文的二层协议头和三层IP报头之间压入一个出标签，同时处理TTL，然后将封装好的MPLS报文发送给下一跳。
2.Transit节点的转发流程
在 Transit 节点上通过查询 ILM（入标签映射）表和 NHLFE 表指导 MPLS 报文的转发。
（1）根据MPLS报文中的出标签值查看对应的ILM表（上游节点所压入的出标签与本地节点的入标签是相同的），可以得到对应的本地Tunnel ID。
（2）然后再根据ILM表的Tunnel ID找到对应的NHLFE表项，可以得到进行下一跳转发所需的出接口、下一跳、出标签和标签操作类型。
（3）MPLS报文的处理方式随着不同的标签值而不同。
如果得到的出标签值≥16（表示该出标签不是特殊的标签），则用本地节点为该FEC分配的出标签替换原来MPLS报文中携带的标签（此时标签操作类型为Swap），同时处理TTL，然后将替换完标签的MPLS报文发送给下一跳。
如果得到的出标签值为3，则直接弹出MPLS报文中原来的出标签（此时标签操作类型为Pop），同时处理TTL，然后进行IP转发或下一层标签转发。
3.Egress节点的转发流程
在Egress节点上，仅需通过查询ILM表来指导MPLS报文的转发，或通过查询IP路由表指导IP报文转发，因为出节点在MPLS域对应的LSP中没有下一跳设备，所以无需再利用NHLFE表来查询报文转发的出接口和下一跳。
（1）如果Egress收到的是不带MPLS标签的IP报文，则查看IP路由表，进行IP转发。
（2）如果Egress收到的是带有MPLS标签的MPLS报文，则查看ILM表获得的标签操作类型，同时处理TTL。
如果标签中的栈底标识S=1，表明该标签是栈底标签，直接弹出该标签，然后进行IP转发。
如果标签中的栈底标识 S=0，表明还有下一层标签（此时至少还有两层标签），继续进行下一层标签转发。
1.2.4 MPLS对TTL的处理
MPLS对TTL的处理包括MPLS对TTL的处理模式和ICMP响应报文这两个方面。
1.MPLS对TTL的处理模式
MPLS标签中包含一个8比特的TTL字段（参见图1-5），其含义与IP报头中的TTL字段相同，用于限制报文在传输过程中所经过的三层设备数（每经过一跳值减1）。MPLS对TTL的处理与IP网络中对TTL的处理一样，除了用于防止产生路由环路外，也用于实现Traceroute（路由跟踪）功能。
RFC3443中定义了两种MPLS对TTL的处理模式：Uniform（统一）和Pipe（管道）。缺省情况下，MPLS对TTL的处理模式为Uniform。
（1）Uniform模式
在Uniform模式下，针对IP报头中的TTL字段，最终在离开MPLS域时其值仍是减少了MPLS中所经过的跳数，只是在MPLS域内传输时，IP报头TTL字段的改变移植到了MPLS标签中的TTL字段，然后在离开MPLS域时再反向移植到IP报头的TTL字段。
具体来说，IP报文经过MPLS网络时，在入节点，IP报头的TTL值减1映射到MPLS标签TTL字段，此后报文在MPLS网络中按照标准的TTL处理方式处理，即逐跳减1，但IP报头中的TTL字段值在MPLS域中不改变。在出节点将MPLS标签的TTL减1后的值再映射到IP报头的TTL字段。最终的结果是，在IP报头的TTL字段值还是在逐跳减1，即把MPLS网络中的每跳设备当作IP网络中的单跳来处理。
下面以图1-18所示的示例进行介绍。
图1-18 Uniform模式TTL处理示例
1）IP报文由CE1设备发出时，IP报头中的TTL字段值为最大的255。
2）到了PE1设备时，IP报头中的TTL字段值减1，变成了254，然后把这个值映射到生成的MPLS标签TTL字段中，即254。
3）MPLS报文传输到中间设备P后，MPLS标签TTL字段按标准TTL方式处理，即再减1，变成了253，但此时IP报头中的TTL字段值仍为254，保持不变。
4）MPLS 报文继续传输到 PE2 设备时，MPLS 标签要弹出了，此时会先把 MPLS标签中的TTL字段再减1，得到252，映射到IP报头中的TTL字段，使得到达PE2设备时IP报文的TTL字段值为252。
从CE1到PE2，总的来说经过了三跳设备，如果没有经过MPLS封装，IP报头中的TTL字段值也要减3，即255-3=252，这与经过MPLS网络传输的结果是相同的，所以称之为Uniform（统一）模式。
（2）Pipe模式
在Pipe模式中，IP报头中的TTL字段会把所经过的MPLS网络的中间节点忽略，将其看作两端边缘节点通过一个管道的直连（这也是称之为“Pipe”模式的原因），也就是无论在MPLS网络中经过了多少三层设备，从MPLS入节点到出节点之间，IP报头中的TTL字段值只减1。
具体来说，IP报文进入到MPLS网络的入节点后，IP报头的TTL值减1，MPLS标签中的TTL字段为一个固定值（这点与Uniform模式不同），此后报文在MPLS网络中传输，MPLS标签TTL字段值按照标准的TTL处理方式处理，即每经过一跳减1，但IP报头的TTL值保持不变（这点与Uniform模式相同）。在出节点会直接弹出MPLS标签，然后将IP报头TTL字段的值减1（这点与Uniform模式也不同）。即IP报文在经过MPLS网络时，无论中间经过了多少跳，IP报头的TTL值只在入节点和出节点分别减1，中间传输过程中保持不变，即相当于把MPLS网络中间节点忽略。
图1-19是一个采用 Pipe模式的TTL处理示例。在MPLS VPN应用中，出于网络安全的考虑，需要隐藏 MPLS 骨干网络的结构，这种情况下，对于私网报文采用 Pipe模式。因为这种模式下，MPLS骨干网中间节点是看不出来的。
图1-19 Pipe模式下TTL处理示例
2.ICMP响应报文
在MPLS网络中，当LSR收到TTL为1（表示不能再向下传了）的含有标签的MPLS报文时，会生成一个ICMP的TTL超时消息。LSR将TTL超时消息回应给报文发送者的方式有两种。
如果LSR上存在到达报文发送者的路由，则可以通过IP路由，直接向发送者回应TTL超时消息。
如果LSR上不存在到达报文发送者的路由，则ICMP响应报文将按照LSP继续传送，到达LSP出节点后，由Egress节点将该消息返回给发送者。
通常情况下，当收到的MPLS报文只带一层标签时，LSR可以采用第一种方式回应TTL超时消息，因为此时表明LSR是MPLS域的边缘节点LER，可直接通过IP路由传输响应报文。当收到的MPLS报文包含多层标签时，LSR采用第二种方式回应TTL超时消息。但是，在MPLS VPN中，ASBR（Autonomous System Boundary Router，自治系统边界路由器）和HoVPN（Hierarchy of VPN，分层VPN）组网应用中的SPE（Superstratum PE or Sevice Provider-end PE，上层PE或运营商侧PE）接收到的承载VPN报文的MPLS报文也可能只有一层标签，此时，这些设备上并不存在到达报文发送者的路由，则采用第二种方法回应TTL超时消息。