MPLS VPN技术原理

tian7163

MPLS VPN技术原理

1 MPLS提出的意义

　　传统的IP数据转发是基于逐跳式的，每个转发数据的路由器都要根据IP包头的目的地址查找路由表来获得下一跳的出口，这是个繁琐又效率低下的工作，主要的原因是两个：1、有些路由的查询必须对路由表进行多次查找，这就是所谓的递归搜索；2、由于路由匹配遵循最长匹配原则，所以迫使几乎所有的路由器的交换引擎必须用App来实现，用App实现的交换引擎和ATM交换机上用硬件来实现的交换引擎在效率上无法相抗衡。
　　当今的互联网应用需求日益增多，对带宽、对时延的要求也越来越高。如何提高转发效率，各个路由器生产厂家做了大量的改进工作，如Cisco在路由器上提供CEF（Cisco Express Forwarding）功能、修改路由表搜索算法等等。但这些修补并不能完全解决目前互联网所面临的问题。
　　IP和ATM曾经是两个互相对立的技术，各个IP设备制造商和ATM设备制造商都曾努力想吃掉对方，想IP一统天下，或者ATM一家独秀！但是最终是这两种技术的融合，那就是MPLS(Multi-Protocol Label Switching)技术的诞生！MPLS技术结合和IP技术信令简单和ATM交换引擎高效的优点！

2 MPLS技术的实现细节

2.1 标签结构
　　IP设备和ATM设备厂商实现MPLS技术是在各自原来的基础上做的，对于IP设备商，它修改了原来IP包直接封装在二层链路帧中的规范，而是在二层和三层包头之间插了一个标签(Label)，而ATM设备制造商利用了原来ATM交换机上的VPI/VCI的概念，在使用Label来代替了VPI/CVI，当然ATM交换机上还必修改信令控制部分，引入了路由协议，ATM交换使用了路由协议来 和其他设备交换三层的路由信息。

2.2 LSR设备的体系结构
　　通过修改，能支撑标签交换的路由器为LSR(Label Switch Router)，而支撑MPLS功能的ATM交换机大家一般称之为ATM-LSR。

LSR的体系结构分为两块：

1. 控制平面(Control Plane)

　　该模块的功能是用来和其他LSR交换三层路由信息，以此建立路由表；和交换标签对路由的绑定信息，以此建Label Information Table(LIB)标签信息表。同时再根据路由表和LIB生成Forwarding Information Table(FIB)表和Label Forwarding Information Table(LFIB)表。控制平面也就是大家一般所说的路由引擎模块！

2.数据平面(Data Plane)

　　数据平面的功能主要是根据控制平面生成的FIB表和LFIB表转发IP包和标签包。
　　对于控制平面中所使用的路由协议，可以使用以前的任何一种，如OSPF、RIP、BGP等等，这些协议的主要功能是和其他设备交换路由信息，生成路由表。这是实现标签交换的基础。在控制平面中导入了一种新的协议-LDP，该协议的功能是用来针对本地路由表中的每个路由条目生成一个本地的标签，由此生成LIB表，再把路由条目和本地标签的绑定通告给邻居LSR，同时把邻居LSR告知的路由条目和标签帮定接收下来放到LIB表里，最后在网络路由收敛的情况下，参照路由表和LIB表的信息生成FIB表和LFIB表。具体的标签分发模式如下叙述。 　　

2.3 标签的分配和分发

　　上面叙述到了，MPLS技术是IP技术和ATM技术的融合。LSR和ATM-LSR上实现标签的生成和分发是有点不同的。

2.3.1 包模式(Packet Mode)下的标签的分配和分发

　　对于实现包模式MPLS网络中，是下游LSR独立生成路由条目和标签的绑定，并且是主动分发出去的。 2.3.2 信元模式(Cell Mode)下的标签分配和分发
　　在信元模式下，下游ATM-LSR接收到了上游ATM-LSR标签绑定请求后，下游受控分配标签，被动向上游分发标签。
　　最上游的LSR-A向ATM-LSR-B发起对网络X的标签求情，ATM-LSR-B再向ATM-LSR-C发请求，最后请求到达LSR-D，LSR-D生成本地对X网络的标签1/37，把该标签告诉ATM-LSR-C，C做同样操作，这样一步一步到达LSR-A。最终生成一条从A->B->C->D的LSP(Label Switch Path)。这样如果A收到要到X网络的数据，A就把IP数据包分割成带有标签的信元，通过ATM接口发送到B，接下来B和C就纯粹做ATM信元的转发，到了D后再把信元组合成IP数据包，发向网络X。
　　在此要强调的如果要组建以ATM交换机为核心的MPLS网络，那么在ATM网络的边缘必须设置路由器，原因在于ATM交换机只转发信元，无法处理用户数据IP包。当然上面也提到要在ATM交换机上实现MPLS功能，必须在ATM交换机的信令控制部分加入路由协议，而路由信息包往往是打在IP包中的，如RIP，OSPF，BGP等路由协议。ATM交换机为了确保这些以IP包形式传递的路由信息能够在ATM交换机间传递，使用了专门的带外连接通道或者带内的管理VC。 　　

2.4 BGP协议在MPLS网络中的特殊应用

　　整个Transit AS中启动MPLS交换。保证ISP2和LSR-Border2之间的网段发布到Transit AS内部的IGP路由协议中，对ISP1和LSR-Border2之间的网段也做同样的要求。前面提到过LSR为路由条目分配标签时，只对从IGP学来的路由分配标签，而网络1.2.3.4是被发布到Transit AS内部的IGP路由协议中了，可以肯定在Border1处是可以获得Core1告诉它有关1.2.3.4网络的标签23。LSR-Border1，LSR-Border2之间形成IBGP邻居关系，通过BGP协议，LSR-Border2把从ISP2处学来的10.0.0.0/8这条路由告诉给LSR-Border1，这条路由的下一跳地址是1.2.3.4，这样一来让LSR-Border1得知要给网络10.0.0.0/8发送数据，先把数据发送到1.2.3.4这个网络来。1.2.3.4被绑定了标签23，所以在生成FIB表时，也给10.0.0.0/8这个网段绑定一个标签23。这样，如果有数据从ISP1穿越Transit AS到达ISP2，在Border1处就会给IP包 插上23这个标签，把生成的标签包转发到Core1，Core1就只要分析标签头做标签包的转发就可以了！由于Transit AS内部核心路由器不必要运行BGP协议，这样一来，MPLS网络的核心路由器就不会知道外部用户的路由，缩小了核心路由器的路由表，提高了搜索效率。大家也看到，由于打上了标签，IP包头是不会在核心路由器被分析的，即使IP包头含有10.0.0.1这样的私有IP地址，也会因为只分析标签的原因被正常转发，这就是服务提供商提供VPN服务所追求的。当然在此必须重声，LSP在整个Transit AS不能被断开，如果断开，标签包就恢复成IP包，而核心路由器是不含用户路由的，最终导致数据包的丢失。
　　BGP在MPLS网络中的作用为大家提供了VPN服务打开了方便之门，但也应该意识到VPN服务两个最基本的要求是1.用户可以独立规划IP地址；2.安全性非常重要！
　　以上为两个VPN实例，PE1(PE=Provider Edge device)上分别接了CE1 （CE=Customer Edge device)和CE3，但是CE1和CE3上带到IP地址相同的网段10.1.2.0/8，很明显如果不对PE1路由器做修改，PE1只能认为往10.1.2.0/8的数据要么从S0出，要么从S1出,这样的话，不是CE1就是CE3就更本收不到从PE1发来的前往10.1.2.0/8网段的数据！
　　如果不对BGP4协议做修改，那么PE2和PE3发送给的PE1的有关10.1.1.0/8网络的路由更新就有可比性，PE1最终会选择一条路由，认为或是PE2或者PE3是发送数据到10.1.1.0/8的必经路由器。这样如果CE1带的10.1.2.0/8网段上的主机给10.1.1.0/8网段上的主机发送数据时，可能会发到CE4所带的10.1.1.0/8的网段上，这样造成了数据泄露。
　　所以，为了使LSR能提供基于MPLS的VPN服务，还必须对此类设备做修改。

3 基于MPLS的VPN实现

3.1 VPN的历史

　　VPN服务是很早就提出的概念，不过以前电信提供商提供VPN是在传输网上提供的覆盖型的VPN服务。电信运营商给用户出租线路，用户上层使用何种的路由协议、路由怎么走等等，这些电信运营商不管。这种租用线路来搭建VPN的好处是安全，但是价格昂贵，线路资源浪费严重。
　　后来随着IP网络的全面铺开，电信服务提供商在竞争的压力下，不得不提供更加低价的VPN服务，也就是三层VPN服务。通过提供给用户一个IP平台，用户通过IP Over IP的封装格式在公网上打隧道，同时也提供了加密等等的手段
　　提供安全保障。这类VPN用户在目前的网络上数量还是相当巨大的！但是这类VPN服务因大量的加密工作、传统路由器根据IP包头的目的地址转发效率不高等等的原因不是非常令人满意。
　　MPLS技术的出现和BGP协议的改进，让大家看到了另一种实现VPN的曙光。

3.2 MPLS/VPN体系结构

3.2.1 PE路由器的改造和VRF的导入

　　为了让PE路由器上能区分是哪个本地接口上送来的VPN用户路由，在PE路由器上创建了大量的虚拟路由器，每个虚拟路由器都有各自的路由表和转发表，这些路由表和转发表统称为VRF(VPN Routing and Forwarding instances)。一个VRF定义了连到PE路由器上的VPN成员。VRF中包含了IP路由表，IP转发表（也成为CEF表），使用该CEF表的接口集和路由协议参数和路由导入导出规则等等。
　　在VRF中定义的和VPN业务有关的两个重要参数是RD(Route Distinguisher)和RT(Route Target)。RD和RT长度都是64比特。
　　有了虚拟路由器就能隔离不同VPN用户之间的路由，也能解决不同VPN之间IP地址空间重叠的问题。

3.2.2 MP-BGP协议对VPN用户路由的发布

　　正常的BGP4协议能只传递IPv4的路由，由于不同VPN用户具有地址空间重叠的问题，必须修改BGP协议。BGP最大的优点是扩展性好，可以在原来的基础上再定义新的属性，通过对BGP修改，把BGP4扩展成MP-BGP。在MP-IBGP邻居间传递VPN用户路由时打上RD标记，这样VPN用户传来的IPv4路由转变为VPNv4路由，这样保证VPN用户的路由到了对端的PE上，能够使对端PE区分开地址空间重叠但不同的VPN用户路由。
　　目前PE和CE之间可支撑的路由协议只有四种BGP、OSPF、RIP2或者静态路由。

3.2.3 MPLS/VPN中标签分组的转发

　　同过MP-BGP协议各个VPN用户路由器学习到正确的路由，现在看看如何转发用户数据的。
　　1.CE1接收到发往10.1.1.1的IP数据包，查询路由表，把该IP数据包发送到PE1。
　　2.PE1从S1口上收到IP数据包后，根据S1所在的VRF，查询对应的CEF表，数据包打上标签8，注意该标签就是通过MP-BGP协议传来的。PE1继续查询全局CEF表，获知要把数据发往10.1.1.1，必须先发送到PE2，而要发送到PE2，则必须打上由P1告知的标签2。所以该IP包被打上了两个标签。
　　3.P1接收到标签包后，分析顶层的标签，把顶层标签换成4，继续发送的P2。
　　4.P2和P1一样做同样的操作，由于次末中继弹出机制，P2去掉标签4，直接把只带有一个标签的标签包发送的PE2。
　　5.PE2收到标签包后，分析标签头，由于该标签8是它本地产生的，而且是本地唯一的，所以PE2很容易查出带有标签8的标签包应该去掉标签，恢复IP包原貌，从S1端口发出。
　　6.CE2获得IP数据包后，进行路由查找，把数据发送到10.1.1.0/8网段上。
　　7.MPLS/VPN配置实例
　　要提供VPN服务的前提是：服务提供商的网络必须启用标签交换功能，即把以前的数据网络升级为MPLS网络。然后具体配置PE，PE上的配置按六步走：
　　1.定义并且配置VRF
　　2.定义并且配置RD
　　3.定义RT，并且配置导入导出策略
　　4.配置MP-BGP协议
　　5.配置PE到CE的路由协议
　　6.配置连接CE的接口，将该接口和前面定义的VRF联系起来。
　　5 总结
　　上面的配置展现了在单个AS内部实现VPN的配置，当然VPN用户的各个接入点往往是地域跨度很大的，所以经常要涉及到跨AS提供VPN业务的需求。这样的配置会更加复杂，而且需要各个电信运营商配合行动才行，这里就不在具体展开叙述了。
　　MPLS是一种结合了链路层和IP层优势的新技术。在MPLS网络上不仅仅能提供VPN业务，也能够开展QOS、TE、组播等等的业务。 很快地，就象WWW技术一样，MPLS技术将会影响大家生活的方方面面！