MPLS (Multiprotocol Label Switching) jest technologią zaprojektowaną tak, by spełnić wszystkie główne cechy wielkoskalowych sieci operatorskich (carrier-class). MPLS jest na tyle postępowym rozwiązaniem, że wykorzystuje istniejące protokoły routingu warstwy 3 jak i wszystkie szeroko dostępne mechanizmy transportowe i protokoły warstwy 2, takie jak ATM, Frame Relay, linie dzierżawione/PPP i Ethernet. W wielkich sieci publicznych, Frame Relay, a w szczególności ATM, cieszą się dużym zainteresowaniem, głównie dlatego, że ich fundamentem jest wspieranie jakości usług (QoS) i klas usług (CoS).

MPLS (Multiprotocol Label Switching) rozwiązuje problem integracji najlepszych cech tradycyjnych technologii warstwy 2 i warstwy 3. Osiąga to przez zdefiniowanie nowej metodologii działania sieci. Głównym komponentem w sieci MPLS jest router przełączania etykiet LSR (label switching router), który jest w stanie zrozumieć i uczestniczyć w routowaniu IP i przełączaniu w warstwie 2. Przez połączenie tych technologii w jedną technikę działania (scalenie), MPLS unika problemów związanych z operacjami w obu warstwach, gdyż sam zarządza nimi. Mimo, że technologia MPLS (Multiprotocol Label Switching) wymaga zastosowania label switching routera (MPLS LSR) w celu uczestnictwa w routingu IP, to aspekty przekazywania pakietów w MPLS znacząco różnią się od routingu hop-by-hop.

MPLS LSR uczestniczy w routingu IP w celu zrozumienia topologii sieci z punktu widzenia warstwy 3, wiedza o routingu jest wykorzystywana do przydzielenia etykiet MPLS (labels) do pakietów. Etykiety MPLS są analogiczne do VPI/VCI używanych w ATM i Frame Relay. Z punktu widzenia end-to-end, etykiety MPLS definiują ścieżki pomiędzy końcami połączenia, które nazywamy ścieżkami - label switched paths (LSP). Ścieżki MPLS LSP są podobne do połączeń VC w technologiach przełączania (ATM, Frame Relay) i umożliwiają lepsze zarządzanie siecią. W dodatku ścieżki LSP wykorzystują mechanizm przekazywania w warstwie 2 (czyli label-swapping, którego implementacja w sprzęcie jest bardzo tania). Rezultatem zastosowania technologii MPLS jest uproszczenie tablic przekazywania pakietów (rys. 1).

Rys. 1 Uproszczenie tablic routingu w sieciach z MPLS

Technologia MPLS (Multiprotocol Label Switching) wprowadza korzyści, których desperacko potrzebują dostawcy usług w swoich sieciach. Są to: przewidywalnośc zachowania się sieci, skalowalnośc sieci i zarządzanie całą siecią. Dodatkowo, prace nad MPLS kierują się w stronę inżynierii ruchu (traffic engineering), aby dać dostawcom usług możliwość oferowania zróżnicowanych usług. Wprawdzie MPLS wymaga pewnych zmian w sprzęcie sieciowym, ale co ważne nie zmusza do wymiany całych urządzeń, czyli wprowadza najważniejszą cechę: oszczędność kosztów przy implementacji nowej technologii.

MultiProtocol Label Switching (MPLS) jest zaawansowaną technologią przekazywania, która zawiera także rozszerzenia do konwencjonalnych protokołów płaszczyzny sterowania IP. Technologia MPLS rozszerza model routingu w Internecie i udoskonala przekazywanie pakietów i sterowanie ścieżką w sieci [RFC-3031].

Na wejściu do domeny MPLS, router brzegowe LER (MPLS Label Edge Router) klasyfikuje pakiety w ekwiwalentne klasy przekazywania FEC (Forwarding Equivalence Class), bazując na różnorodnych czynnikach, włączając np. kombinację informacji niesionej w nagłówku pakietu IP i lokalnej informacji o routingu zarządzanej przez routery LER. Label (czyli etykieta) MPLS jest przypisana do każdego pakietu zgodnie z jego ekwiwalentną klasą przekazywania FEC (rys.4 krok 1). Jeśli nie są to sieci ATM lub Frame Relay, to etykieta MPLS ma długość 32 bitów i zawiera: 20-bitowe pole identyfikacji etykiety MPLS, 3-bitowe pole eksperymentalne (poprzednio znaną jako pole Class of Service lub CoS), 1-bitowy wskaźnik stosu etykiety MPLS i 8-bitowe pole TTL (Time To Live – czasu życia pakietu) (rys.2).

Rys. 2 Etykieta MPLS i jej usytuowanie.

W środowiskach sieci ATM (bądź Frame Relay) etykieta MPLS składa się z informacji zakodowanej w polu VPI/VCI (bądź DLCI). Na rys.3 przedstawione są możliwości wykorzystania pól VPI i VCI w nagłówku komórki ATM przez MPLS do budowania etykiet LSP. Routery przełączające etykiety MPLS, LSR (Laber Switching Router), przepatrują etykietę MPLS, a także mogą przepatrywać pole eksperymentalne i używają tej informacji do podjęcia decyzji o dalszym przekazaniu pakietu.

Rys. 3 Enkapsulacja MPLS dla ATM

LSR (Label Switching Router) w domenie MPLS podejmuje decyzję o przekazaniu pakietu MPLS wykorzystując etykietę MPLS przypisaną do pakietów jako indeks w lokalnej tablicy NHFLE (Next Hop Label Forwarding Entry). Następnie, pakiet jest przetwarzany tak jak został wyspecyfikowany w NHFLE (rys.4 krok 2). Etykieta wejściowa MPLS może być zastąpiona przez etykietę wyjściową MPLS, a pakiet może zostać przełączony do następnego routera LSR (rys.4 krok 3).

Przełączanie etykiet w MPLS jest bardzo podobne do procesu wymiany etykiet (VPI/VCI) w sieciach ATM. Zanim pakiet opuści domenę MPLS (Multiprotocol Label Switching), to jego etykieta MPLS musi zostać usunięta przez wyjściowy router brzegowy LER (rys.4 krok 4). W sieci MPLS, tworzona jest ścieżka Label Switched Path (LSP) między wejściowym LER a wyjściowym LER, przez którą oznaczony etykietą pakiet jest przenoszony. Ścieżka jawnej LSP jest określana (wyznaczana) przez węzeł początkowy (wejściowy, LER) dla danej ścieżki LSP. Sieć MPLS wykorzystuje protokół sygnalizacyjny do zestawiania scieżek LSP jakim jest RSVP lub LDP (Label Distribution Protocol).

Rys. 4 Działanie sieci MPLS.

Na rys.5 przedstawiono komunikację użytkowników A z użytkownikami B i C. Użytkownicy B i C znajdują się w dwóch różnych sieciach. W domenie MPLS zostały wcześniej określone ścieżki LSP. Dla komunikacji z siecią 200.3.2./24 jest przypisana LSP3, a dla komunikacji z siecią 134.5/16 przypisano LSP5. Proces ten nosi nazwę przypisania do odpowiedniego FEC, czyli jakikolwiek pakiet z punktu A będzie chciał osiągnąć użytkownika B (będzie miał w polu przeznaczenia nagłówka IP adres użytkownika B), będzie skierowany na LSP3, a jeśli jakikolwiek pakiet z punktu A będzie chciał osiągnąć użytkownika C, to będzie skierowany na LSP5 . Rysunek pokazuje także proces zamiany etykiet w sieci MPLS. W przypadku LSP3 pakiet pokona drogę po ścieżkach z etykietami 84 i 3, a LSP5 po drodze 99, 56, 3 jednak przez inne przełączniki. Przykład pokazuje, że można stworzyć z tego samego miejsca wiele różnych dróg przez domenę MPLS (Multiprotocol Label Switching), pomimo, że pakiety wchodzą w tym samym punkcie do sieci MPLS i wychodzą z niej w innym wspólnym punkcie. Różni je tylko jedna cecha, a mianowicie adres przeznaczenia.

Rys. 5 Działanie sieci MPLS. (rysunek alternatywny)

MPLS (Multiprotocol Label Switching) jest bardzo potężną technologią dla inżynierii ruchu w sieci Internet, ponieważ wspiera jawnie zestawianą scieżkę LSP, co umożliwia wydajnie zaimplementować constraint-based routing (CSPF) w sieciach IP. Wymagania dla inżynierii ruchu w sieci MPLS są opisane w RFC-2702, a rozszerzenia dla RSVP (Resource Reservation Protocol) dla obsługi i realizacji jawnej ścieżki LSP są zawarte w RFC-3209. Rozszerzenia dla LDP, znane jako CR-LDP, są prezentowane w RFC-3212.

Rys. 6 Sygnalizacja RSVP w sieci MPLS.

Rysunek 6 przedstawia proces sygnalizacji rezerwacji zasobów przez RSVP-TE w domenie MPLS. Router LSR A żąda zestawienia ścieżki dla FEC 138.120 w wiadomości RSVP path message. Wiadomość ta przechodzi przez router B i C, które rezerwują etykiety MPLS dla LSP. następnie wiadomość RSVP reserved message wraca do LSR A , informując pozostałe routery o zarezerwowaniu numerów etykiet MPLS 5 i 12 (mapping 5 i 12). Po tym procesie możliwa jest przesyłanie pakietów od LSR A do LSR C dla FEC 138.120.