本节书摘来自异步社区《MPLS在Cisco IOS上的配置》一书中的第1章，第1.9节，作者 【美】Lancy Lobo, CCIE #4690 , Umesh Lakshman，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看
1.9 信元模式MPLS
MPLS在Cisco IOS上的配置
当设备互联链路的封装协议是ATM时，用来传输数据的结构称为信元（Cell）。因此，ATM设备之间使用的MPLS机制应用在信元时，称为信元模式MPLS。如前所述，路由模式的ATM PVC也可以运行帧模式MPLS，本节不做讨论。
在信元模式MPLS网络中，核心网的LSR是ATM交换机，都基于ATM信元头的信息转发数据，这样的LSR称为ATM LSR。ATM交换机只执行数据层的转发功能，因此将ATM交换机作为ATM LSR时，必须增加控制层组件—LSC（Label Switch Controller，标签交换控制器）。LSC执行MPLS的控制层功能，例如标签分配和分发。某些型号的ATM LSR本身具备了MPLS控制层组件，因此不需要额外增加LSC。
如果ATM交换机与LSC共同组成ATM LSR，那么ATM交换机只执行控制层的转发功能1。因此，信元模式MPLS的标签必须能够写入ATM信元头，准确地说，是VPI/VCI字段。同时，ATM信元头与IP报文头之间还需要插入MPLS标签。这种机制使得数据层设备可以正确转发MPLS数据包。而控制层的数据包，例如路由协议和分发标签的协议所产生的数据包，则是由ATM LSR的控制层组件产生，并通过ATM LSR之间的控制VC（Control Virtual Circuit）实现互通。
信元模式MPLS的标签结构与帧模式MPLS的标签结构一致，如图1-6所示。为了保证ATM LSR可以根据标签值转发信元，ATM信元头的VPI/VCI需承载标签值。如图1-17所示，ATM LSR在ATM信元头和IP报文头之间插入MPLS标签。
图1-18所示的信元模式MPLS网络由入向ATM E-LSR、核心ATM LSR和出向ATM E-LSR组成。ATM LSR之间的互联接口称作LC-ATM接口（Label Switching Controlled-ATM Interface，标签交换控制的ATM接口）。LC-ATM接口可以转发承载着客户流量的信元，也可以转发控制层的流量。默认配置下，转发控制层流量的控制VC是VPI/VCI 0/32。整合型的ATM LSR（本身具备的MPLS的控制层和数据层组件）与ATM E-LSR交换控制层信息，同时执行数据层的信元转发操作。如果ATM交换机和LSC组成ATM LSR，那么LSC与ATM E-LSR交换控制层信息，生成IP转发表、标签表和标签转发表；ATM交换机可以根据LSC的标签转发表信息执行信元转发操作。
如图1-18所示，相邻ATM LSR需要在控制层建立邻居关系，用来交换IGP路由信息和MPLS标签信息。为了在ATM交换机之间正确转发IP路由信息，所有ATM E-LSR和ATM LSR都建立了带内（in-band）的控制VC专门用来转发控制信息。默认配置下，控制VC使用VPI/VCI 0/32，并且使用AAL5协议（RFC2684）封装IP数据包。控制VC可以通过命令修改VPI/VCI，但是，为了确保ATM LSR可以正确交换控制层信息，所有ATM LSR都必须配置相同的VPI/VCI作为控制VC。
1.9.1 信元模式MPLS操作
在信元模式MPLS网络中，标签取代了VPI/VCI成为信元转发的依据。ATM LSR在ATM信元头和IP报文头之间插入标签或标签栈，此标签或标签栈的顶层标签值需要复制到VPI/VCI中。这种机制允许ATM交换机可以正确转发ATM信元，同时，直连的ATM LSR之间在控制VC上交换控制层数据包。
图1-19是信元模式MPLS网络，A1和A2是ATM LSR，R1和R2是ATM E-LSR，网络172.16.10.0/24是R1的直连网络。
信元模式MPLS的标签分配和分发操作，与帧模式MPLS很相似。下游ATM E-LSR R1为网络172.16.10.0分配本地标签，并向上游分发。A1和A2也执行此过程。信元模式MPLS和帧模式MPLS的主要区别，是信元模式MPLS不执行次末跳弹出和将标签值复制在VPI/VCI中。另外，在信元模式MPLS中，所有标签都在特定接口下有效；而帧模式MPLS的标签可以在LSR的全局范围内有效，也可以在特定接口下有效。
在图1-19中，假设所有ATM LSR都使用VPI 1，R1、A1、A2和R2分别为网络前缀172.16.10.0/24分配了本地标签L1、L2、L3和L4，那么ATM LSR的IP转发表、标签表和标签转发表的状态如图1-19所示。
信元模式MPLS的数据层转发过程如下。
1．R2 接收去往172.16.10.0/24的IP数据包，压出向标签1/L3，转发给下一跳A2。
2．A2 接收ATM信元，查询标签转发表，用出向标签1/L2替代标签1/L3，转发给A1。
3．A1 接收ATM信元，查询标签转发表，用出向标签1/L1替代标签1/L2，转发给R1。请读者注意，A1是次末跳LSR，但是不执行次末跳弹出，这是信元模式MPLS与帧模式MPLS的重要区别。R1直接弹出标签，将IP数据包转发至目的网络。
信元模式MPLS的数据层转发过程如图1-20所示。
1.9.2 信元模式MPLS的环路检测机制
在信元模式MPLS中，ATM信元头没有TTL，因此ATM信元无法像帧模式MPLS的IP数据包或MPLS数据包那样使用TTL来执行环路检测。LDP的功能是标签分配和分发，主要依靠3层路由协议实现防环功能。
在信元模式MPLS中，LDP具有两种环路检测机制，如前所述，LDP发送TLV格式的消息，因此防环机制也是通过TLV实现的。例如，RFC 3035介绍了路径矢量TLV，可以实现环路检测功能。如图1-21所示，LDP PDU由版本号、PDU长度、LDP标识和LDP消息组成。其中，LDP消息可以包含多个TLV，每个TLV都包括U比特、F比特、类型、长度和值。
U（unknown）比特置1时，LSR忽略U比特所在的TLV，并且继续处理LDP消息中的其他TLV；如果置0，LSR忽略整个LDP消息，并向数据源发送错误通告消息。
F（forward）比特只有在U比特置1时才有意义，当F比特也置1时，那么LSP可以继续转发此LDP消息。
“类型”标识了“值”的含义。在信元模式MPLS中，LDP TLV只有两种类型，分别跳数（hop-count）和路径矢量（path vector），都用于环路检测。
长度标识了值的长度，单位是字节。
值是字符串，长度是字节的整数倍。
在信元模式MPLS的环路检测机制中，第一种TLV是跳数TLV，与标签一起被LDP分发到LDP对端LSR。跳数TLV的格式和分发过程如图1-22所示。
图1-22描述了跳数TLV的格式和操作过程。跳数TLV是可选的，在建立LDP会话的过程中，LSR可以协商是否需要使用跳数TLV。LSR可以通过跳数TLV计算出其到达目的网络所经过的跳数。在图1-22中，R1向A1分发本地标签1/L1与172.16.10.0/24的映射，同时携带了跳数TLV=1；A1接收LDP消息以后，向A2分发本地标签1/L2与172.16.10.0/24的映射，同时携带了跳数TLV=2；A2接收LDP消息以后，向R2分发本地标签1/L3与172.16.10.0/24的映射，同时携带了跳数TLV=3。因此，R2得知去往172.16.10.0/24需要经过3跳。
在信元模式MPLS网络中，LDP执行环路检测所使用的第2种TLV是路径矢量TLV。对于熟悉BGP的读者来说，路径矢量TLV与BGP的AS PATH属性有相似之处。在BGP中，AS PATH属性包括了BGP路由所经过的所有AS号，因此可以实现BGP路由的环路检测。路径矢量TLV中包括了LDP请求消息或LDP更新消息所经过的逐跳LSR的LDP Router-id。如果LSR接收到LDP请求消息或LDP更新消息，发现路径矢量TLV中已经包括了自己的LDP Router-id，那么此LSR通过丢弃请求或更新消息的方式避免环路。路径矢量TLV的格式和操作过程如图1-23所示。
在图1-23中，R1、A1、A2、R2和A3的LDP Router-id分别是1、2、3、4和5。R1将其LDP Router-id 1放入路径矢量TLV，随同标签1/L1通过LDP分发给上游的ATM LSR A1。A1将其LDP Router-id 2后缀到路径矢量TLV中，随同标签1/L2通过LDP分发给上游的ATM LSR A2（为简化路径矢量TLV的描述，图1-23暂不考虑A1向A3的LDP分发）。A2将其LDP Router-id 3后缀到路径矢量TLV中，随同标签1/L3通过LDP分发给上游的ATM LSR R2。假设A3从A2接收路径矢量TLV，将其LDP Router-id 5后缀到路径矢量TLV中，通过LDP分发给A1。此时，A1发现路劲标签TLV中已经包含了LDP Router-id 2，因此A1拒绝接收此LDP分发。在信元模式MPLS中，虽然没有TTL机制来防止环路，但是跳数TLV可以设置最大跳数，而路径TLV可以防止产生环路。
1.9.3 虚电路整合
在信元模式MPLS网络中，如果LSR接收了多个上游LSR对于同一个网络前缀的标签请求，那么，此 LSR 为每个上游 LSR 都生成映射此网络前缀的本地标签。因此，当ATM E-LSR的数量很多时，与其直连的核心ATM LSR需要维护的标签数量会迅速增加。相应的优化技术是ATM LSR生成全局范围有效的本地标签，即为每个上游LSR分发相同的标签。
在信元模式MPLS网络中，LSR减少标签数量的最常用技术是虚电路整合（VC-merge）。在虚电路整合中，一个LSR为每个网络前缀分配一个标签，其上游LSR经过此LSR向目的网络发送数据包时，都使用相同的出向标签。图1-24是在图1-19的网络中增加新的ATM E-LSR R3，直连到ATM LSR A2。当禁用虚电路整合时，针对网络前缀172.16.1.0/24，A2分别为上游LSR R2和R3分配本地标签1/L3和1/L5。经过LDP分发过程以后，R2和R3分别以1/L3和1/L5作为网络前缀172.16.1.0/24的出向标签。
但是，信元模式MPLS网络开启了虚电路整合以后，R2和R3都使用1/L3作为网络前缀172.16.1.0/24的出向标签，因此虚电路整合可以减少ATM LSR需要维护的标签数量。
1.9.4 虚电路整合与信元交织
ATM LSR开启了虚电路整合以后，虽然可以减少ATM LSR需要维护的标签数量，但是也引入新问题—信元交织（Cell Interleave）。ATM LSR开启了虚电路整合以后，所有上游LSR都使用相同的出向标签向目的网络发送数据包。如果多个上游LSR同时向相同的目的网络发送ATM信元，那么ATM LSR无法识别这些ATM信元来自哪个上游LSR，因为这些ATM信元的VPI/VCI相同（标签相同）。来自不同上游LSR且具有相同VPI/VCI的ATM信元混合在一起，使得对端路由器无法将ATM信元承载的数据还原为IP数据包，称为“信元交织”。
图1-26所示的信元模式MPLS网络禁用了虚电路整合，ATM LSR A2直连着ATM E-LSR R2和R3。A2为网络前缀172.16.1.0/24分配两个本地标签1/L3和1/L5。A2为了确定本地标签1/L3和1/L5所对应的出向标签，需要向A1发送标签请求。A2接收A1的标签1/L2以后，将本地标签1/L3和1/L5的出向标签都设置为1/L2。但是，A2无法向A1传递数据源的信息。因此，如果A1接收了VPI/VCI 1/L2的ATM信元，那么A1无法判断该ATM承载的数据来自R2或R3。
在某些情况下，ATM LSR之间只传递来自于某个数据源的ATM信元，而将来自于另一个数据源的ATM信元缓存起来。在被传递的ATM信元中，最后一个ATM信元的“帧结尾”比特位置1，即这些被传递的ATM信元可以还原为完整的IP数据包。然后，ATM LSR将缓存中的可以还原为完整IP数据包的ATM信元转发出去，这样就可以为另一个数据源提供数据转发服务。因此，这样解决方案可以继承虚电路整合的优势，但是当多个数据源同时向相同的网络发送数据时，ATM LSR的缓存机制会引入转发延迟。
如果ATM LSR没有缓存ATM信元的能力，那么ATM LSR需要禁用虚电路整合以避免信元交织及相关问题。
1 ATM交换机只能根据ATM信元头的信息转发数据包，无法解析ATM负荷中的信息。—译者注
