實現(xiàn)MPLS VPN邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊环N新方法

盛仲飆

（渭南師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)中心，陜西 渭南 714000）

VPN（Virtual Private Network）虛擬局域網(wǎng)，是指利用密碼技術(shù)和訪問控制技術(shù)在公共網(wǎng)絡(luò)中建立專用通信網(wǎng)絡(luò)。在虛擬專用網(wǎng)中，任意兩個節(jié)點之間的連接并沒有傳統(tǒng)專用網(wǎng)所需的端到端的物理鏈路，而是架構(gòu)在公用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商所提供的網(wǎng)絡(luò)平臺之上的邏輯網(wǎng)絡(luò)，虛擬專用網(wǎng)對用戶端透明，用戶好像是用一條專用線路通信[1]。與傳統(tǒng)的專有線/租用線路相比，VPN費用低廉而且能很好地滿足客戶的需求。

出于用戶業(yè)務(wù)模型的需求，VPN邏輯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常有主干-分支（Hub-Spoken）、半網(wǎng)狀（Half-Mesh）以及全網(wǎng)狀（Fullmesh）結(jié)構(gòu)，這些邏輯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常通過路由控制技術(shù)來實現(xiàn)。在MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)中常用的路由控制技術(shù)是Route-Target（即RT技術(shù)，通常采用不對稱RT實現(xiàn)路由控制），此技術(shù)是在MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)中比較通用的方式，在數(shù)據(jù)網(wǎng)中有廣泛的應(yīng)用。但是，在一些特定的場合，不能使用非對稱RT技術(shù)，但又需要實現(xiàn)業(yè)務(wù)要求的各種VPN邏輯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以保障網(wǎng)絡(luò)隔離、網(wǎng)絡(luò)QoS以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

1 MPLS VPN體系結(jié)構(gòu)

1.1 MPLS基本原理

MPLS（Multiprotocol Label Switching，多協(xié)議標(biāo)簽交換）是從90年代中期新興的一種多層交換技術(shù)，它吸收了ATM的VPI/VCI交換的一些思想，無縫地集成了IP路由技術(shù)的靈活性和2層交換的簡捷性，在面向無連接的IP網(wǎng)絡(luò)中增加了MPLS面向連接的屬性。MPLS引入了基于標(biāo)簽的機(jī)制，它把路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分開，由標(biāo)簽來規(guī)定一個分組通過網(wǎng)絡(luò)的路徑。由于MPLS將2層交換和3層路由技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)勢，在解決VPN、CoS（服務(wù)分類）和流量工作等IP網(wǎng)絡(luò)的重大問題時具有優(yōu)異的表現(xiàn)，其應(yīng)用也逐步轉(zhuǎn)向MPLS流量工程和MPLS VPN了[2]。

MPLS網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的不同之處主要在于MPLS域中使用了標(biāo)簽交換路由器LSR。它為進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中的IP數(shù)據(jù)包分配標(biāo)記，并通過對標(biāo)記的交換來實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。標(biāo)記作為IP包頭在網(wǎng)絡(luò)中的替代品而存在，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部MPLS在數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的路徑通過交換標(biāo)記（而不是看IP包頭）來實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)數(shù)據(jù)包要退出MPLS網(wǎng)絡(luò)時，數(shù)據(jù)包被解開封裝，繼續(xù)按照IP包的路由方式到達(dá)目的地。一個標(biāo)簽是一個短的、長度固定的數(shù)值，由報文的頭部攜帶。MPLS包頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含20比特的標(biāo)簽，3比特的EXP（通常用作Cos），1比特的S，用于標(biāo)識此標(biāo)簽是否為最底層標(biāo)簽，8比特的TTL。MPLS包頭位于2層幀頭與3層數(shù)據(jù)包頭之間。

1.2 MPLS網(wǎng)絡(luò)模型

圖1 MPLS包頭結(jié)構(gòu)Fig.1 MPLS Header Structure

MPLS VPN是一種基于MPLS技術(shù)的IP-VPN，是在網(wǎng)絡(luò)路由和交換設(shè)備上應(yīng)用MPLS技術(shù)，簡化核心路由器的路由選擇方式，利用結(jié)合傳統(tǒng)路由技術(shù)的標(biāo)記交換實現(xiàn)的IP虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（IP-VPN），可用來構(gòu)造寬帶的 Intranet、Extranet，滿足多種靈活的業(yè)務(wù)需求。MPLS VPN又稱為“BGP_MPLS/VPN”，這種VPN技術(shù)建構(gòu)在MPLS和BGP技術(shù)基礎(chǔ)之上，它利用MPLS來實現(xiàn)三層交換和QoS，利用Multiprotocol BGP來實現(xiàn)VPN路由信息的傳播。MPLS VPN是一種主要面向運營商的VPN解決方案，也是VPN技術(shù)的發(fā)展趨勢[3]。

如圖2所示，MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)主要由CE（用戶網(wǎng)絡(luò)邊緣路由器）、PE（骨干網(wǎng)邊緣路由器）和P（骨干網(wǎng)核心路由器）以及VPN用戶節(jié)點組成。其中CE直接與服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)相連；PE與用戶的CE直接相連，負(fù)責(zé)VPN業(yè)務(wù)接入，處理VPN-IPv4路由；P負(fù)責(zé)快速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。在整個MPLS VPN中，P、PE設(shè)備需要支持 MPLS的基本功能，CE設(shè)備不必支持MPLS[4]。

圖2 MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 MPLS VPN Network Structure

在MPLS/BGP VPN中，屬于同一VPN的兩個site之間轉(zhuǎn)發(fā)報文使用兩層標(biāo)簽，在入口PE上為報文打上兩層標(biāo)簽，外層標(biāo)簽在骨干網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行交換，代表了從PE到對端PE的一條隧道，VPN報文打上這層標(biāo)簽，就可以沿著LSP到達(dá)對端PE，再使用內(nèi)層標(biāo)簽決定報文應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)到哪個site上，由此實現(xiàn)對于用戶的VPN邏輯隔離功能，此內(nèi)層標(biāo)簽在實際應(yīng)用中采用MP-BGP的擴(kuò)展Community屬性（即RT）實現(xiàn)[5]。

1.3 BGP協(xié)議

BGP是為了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的用于自治系統(tǒng)之間的路由協(xié)議。它利用多協(xié)議擴(kuò)展和共有屬性來定義VPN的連接性，在基于MPLS的VPN中，BGP只對一個VPN的成員發(fā)布信息，通過流量分離來提供基本的安全性。因為數(shù)據(jù)是通過使用LSP來轉(zhuǎn)發(fā)的，LSP定義一條不可改變的路徑，以保證其安全性[5]。

BGP是在EGP應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，BGP通過在路由信息中增加自治區(qū)域（AS）路徑的屬性，來構(gòu)造自治區(qū)域的拓?fù)鋱D，從而消除路由環(huán)路并實施用戶配置的策略。同時，BGP支持無類型的區(qū)域間路由CIDR（Classless Interdomain Routing），可以有效的減少路由表條目，同時BGP本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也可以支持較大的路由表[6]。為了提供對多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 （如MPLS）的支持，IETF對BGP-4進(jìn)行了擴(kuò)展，形成MP-BGP，目前的MP-BGP標(biāo)準(zhǔn)是RFC2858。

2 VPN邏輯結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

要實現(xiàn)VPN邏輯結(jié)構(gòu)，除采用非對稱RT?技術(shù)之外，還可以利用BGP Community屬性，通過結(jié)合路由過濾技術(shù)，實現(xiàn)對不同VPN的VRF中的路由表條目整形，從而實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)VPN邏輯拓?fù)洹?/p>

BGP Community屬性實質(zhì)上是對于一條路由的標(biāo)記，它是以一個字符串形式存在的編碼。默認(rèn)的BGP Community屬性有 Internet，Local-as，no-advertise，no-export此 4 種，同時還可自定義此屬性的內(nèi)容（即自定編碼，數(shù)值范圍1～4 294 967 295）。

相對于BGP Community屬性，非對稱RT技術(shù)實際是利用了擴(kuò)展的BGP Community屬性，即在MP-BGP協(xié)議中，對于BGP路由協(xié)議新定義了一種屬性，并對Community的數(shù)值編碼范圍進(jìn)行了擴(kuò)展，以容納寫入以AS:NN格式表示的RT數(shù)值。以此屬性作為路由RT的攜帶載體。

利用BGP Community路由屬性技術(shù)實現(xiàn)各種VPN邏輯結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段方式如下。

在一條路由進(jìn)入BGP域傳播時，通過策略路由（Route-Map），為本路由賦與一個Community值，在網(wǎng)絡(luò)中的其他站點路由器根據(jù)收到的Community數(shù)值決定對本路由接受還是丟棄即路由過濾，各路由器經(jīng)過路由過濾之后形成各自的對應(yīng)于各VPN的路由表VRF，從而以這些VRF的路由條目組織形成了各種VPN邏輯結(jié)構(gòu)。以下是利用BGP Commuinty技術(shù)實現(xiàn)同一物理拓?fù)渖系牟煌壿媀PN拓?fù)涞姆椒ǎ?/p>

2.1 核心-分支結(jié)構(gòu)

如圖2所示，利用BGP路由策略結(jié)合Community實現(xiàn)核心-分支的VPN邏輯結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵配置邏輯如下（以思科設(shè)備為 例 ， 設(shè) 路 由 A=1.1.1.0/24，B=2.2.2.0/24，C=3.3.3.0/24，D=4.4.4.0/24，僅列出關(guān)鍵節(jié)點的關(guān)鍵配置，其他從略）

1）核心站點 PE 0：

2）分支站點 PE 1：

2.2 半網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

如上圖所示，利用BGP路由策略結(jié)合Community實現(xiàn)半網(wǎng)狀的VPN邏輯結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵配置邏輯如下（設(shè)路由A=1.1.1.0/24，B=2.2.2.0/24，C=3.3.3.0/24，D=4.4.4.0/24，僅列出關(guān)鍵節(jié)點的關(guān)鍵配置）

1）核心站點 PE 0：

2）分支站點 PE 3：

3 結(jié) 論

MPLS VPN技術(shù)可以在同一個物理網(wǎng)絡(luò)上為不同的用戶和業(yè)務(wù)提供獨立、隔離的虛擬專用數(shù)據(jù)通道，且可以利用各種技術(shù)（如路由標(biāo)記RT技術(shù)）針對不同的需求提供各種邏輯VPN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用非常廣泛。

文中提出的BGP Community結(jié)合路由過濾技術(shù)在邏輯VPN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)上是RT技術(shù)的一種替代方法，它可以在RT技術(shù)不能使用或應(yīng)用效果不佳的情況下代替其功能，實現(xiàn)基于同一物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母鞣N不同的VPN邏輯結(jié)構(gòu)，其技術(shù)原理和實現(xiàn)均相對簡單，且可以利用現(xiàn)有的各類路由器設(shè)備的BGP路由協(xié)議自身的功能，無需更換或升級設(shè)備，具有經(jīng)濟(jì)，實用和高效的特點。

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