基于MPLS的VPN技術原理及其實現

摘要：在研究了基于MPLS的VPN技術的原理和工作的基礎上，給出了基于BGP擴展實現的MPLS VPN的一個網絡組成模型，同時描述了這個模型中的各個設備及其功能。最后分析了MPLS VPN的技術優勢及其應用前景。

隨著Internet的蓬勃發展，人們對其應用提出了更高的要求。但Internet缺乏有效的流量和網絡帶寬管理手段，網絡經常會發生阻塞。無法對服務質量(QoS)提供保證，許多應用對于目前的IP技術(如語音和視頻等)顯得力不從心。而新興的多協議標記交換技術(MPLS:MultiProtocol Label Switching)有望解決這一問題。

1 VPN簡介

VPN指的是依靠ISP和其它NSP，在公用網絡中建立專有數據通信網絡的技術。在虛擬專網中，任意兩個接點之間的連接并沒有傳統專網所需的端到端的物理鏈路，而是利用某種公共網的資源動態組成的。VPN技術采用季認證、存取控制、機密性、數據完整性等措施，以保證信息在傳輸過程中的機密性、完整性和可用性。它是在公共Internet之上為政府、企業構恐安全可靠、方便快捷的專用網絡，并可節省資金。VPN技術是廣域網建設的最佳解決方染，它不僅會大大節省廣域網的建設和運行維護費用，而且擁有成本低、便于管理，開銷少、靈活度高，保密性好等優點。

2 基于MPLS的VPN技術

2.1 MPLS的基本原理

MPLS VPN是指基于MPLS技術構建的虛擬專用網，即采用MPLS技術，在公共IP網絡上構建企業IP專網，實現數據、語音、圖像等多業務寬帶連接。并結合差別服務、流量工程等相關技術，為用戶提供高質量的服務。MPLS VPN能夠在提供原有VPN網絡所有功能的同時，提供強有力的QoS能力，具有可靠性高、安全性高、擴展能力強、控制策略靈活以及管理能力強大等特點。

MPLS是一種特殊的轉發機制，它為進入網絡中的IP數據包分配標記，并通過對標記的交換來實現IP數據包的轉發。標記作為IP包頭在網絡中的替代品而存在，在網絡內部MPLS在數據包所經過的路徑通過交換標記（而不是看IP包頭）來實現轉發；當數據包要退出MPLS網絡時，數據包被解開封裝，繼續按照IP包的路由方式到達目的地。

    如圖1所示，MPLS網絡包含一些基本的元素。在網絡邊緣的節點就稱作標記邊緣路由器(LER:Label Edge Router),而網絡的核心節點就稱作標記交換路由器（LSR：Label Switching Router）。LER節點在網絡中提供高速交換功能。在MPLS節點之間的路徑就叫做標記交換路徑(LSP:Label Switched Path)。一條LSP可以看作是一條貫穿網絡的單向隧道。

MPLS的工作流程可以分為三個方面：即網絡的邊緣行為、網絡的中心行為以及如何建立標記交換路徑。

1. 網絡的邊緣行為

當IP數據包到達一個LER時，MPLS第一次應用標記。首先，LER要分析IP包頭的信息，并且按照它的目的地址和業務等級加以區分。

在LER中，MPLS使用了轉發等價類(FEC:Forwarding Equivalence Class)的概念來將輸入的數據流映射到一條LSP上。簡單地說，FEC就是定義了一組沿著同一條路徑、有相同處理過程的數據包。這就意味著所有的FEC相同的包都可以映射到同一個標記中。

對于每一個FEC，LER都建立一條獨立的LSP穿過網絡，到達目的地。數據包分配到一個FEC后，LER就可以根據標記信息庫(LIB:Label Information Base)來為其生成一個標記。標記信息庫將每一個FEC都映射到LSP下一跳的標記上。如果下一跳的鏈路是ATM，則MPLS將使用ATM VCC里的VCI作為標記。

轉發數據包時，LER檢查標記信息庫中的FEC，然后將數據包用LSP的標記封裝，從標記信息庫所規定的下一個接口發送出去。

2. 網絡的核心行為

當一個帶有標記的包到達LSR的時候，LSR提取入局標記，同時以它作為索引在標記信息庫中查找。當LSR找到相關信息后，取出出局的標記，并由出局標記代替入局標記，從標記信息庫中所描述的下一跳接口送出數據包。

最后，數據包到達了MPLS域的另一端，在這一點，LER剝去封裝的標記，仍然按照IP包的路由方式將數據包繼續傳送到目的地。

3. 如何建立標記交換路徑

建立LSP的方式主要有兩種：

(1)“Hop by Hop (逐跳尋徑) ”路由

一個Hop-by -Hop的LSP是所有從源站點到一個特定目的站點的IP樹的一部分。對于這些LSP，MPLS模仿IP轉發數據包的面向目的地的方式建立了一組樹。

從傳統的IP路由來看，每一臺沿途的路由器都要檢查包的目的地址，并且選擇一條合適的路徑將數據包發送出去。而MPLS則不然，數據包雖然也沿著IP路由所選擇的同一條路徑進行傳送，但是它的數據包頭在整條路徑上從始至終都沒有被檢查。

在每一個節點，MPLS生成的樹是通過一級一級地為下一跳分配標記，而且是通過與它們的對等層交換標記而生成的。交換是通過標記分配協議(LDP:Label Distribution Protocol)的請求以及對應的消息完成的。

(2)顯式路由

MPLS最主要的優點就是它可以利用流量設計“引導”數據包。MPLS允許網絡的運行人員在源節點就確定一條顯式路由的LSP（ER-LSP），以規定數據包將選擇的路徑。ER-LSP從源端到目的端建立一條直接的端到端的路徑。MPLS將顯式路由嵌入到限制路由的標記分配協議的信息中，從而建立這條路徑。

2.2 基本MPLS的VPN實現

如圖2所示，基于BGP擴展實現的MPLS三層VPN包含以下基本組件：

PE：Provider Edge Router,PE路由器使用靜態路由、RIPv2、OSPF或EBGP與CE路由器交換路由信息。盡管PE路由器維護著VPN路由信息，但它只需為其直接相連的那些VPN維護VPN路由。每臺PE路由器為其直接相連的每個站點維護一個VRP（Virtual Routing Forwarding Table），每個客戶連接映射到某個VRF上。在從CE路由器上學習本地VPN路由信息。PE路由器使用IBGP與其它路由器交換VPN路由信息。PE路由器可以保護到路由反射器的IBGP會話，作為全網狀IBGP會話的替代方案。使用MPLS在供應商骨干中轉發VPN數據流量時，入口PE路由器作為入MPLS使用，出入PE路由器作為出中LSR使用。

    CE：客戶邊緣(CE)設備允許客戶通過連接一臺或多臺供應商邊緣（PE）路由器的一條數據鏈路接入服務供應商網絡。CE設備是一臺IP路由器，它與直接連接的PE路由器建立鄰接關系。在建立鄰接后，CE路由器把站點的本地VPN路由廣播到PE路由器，并從PE路由器上學習遠程VPN路由。

Prouter:Provider Router，供應商路由器是沒有連接CE設備的供應商網絡中的任何路由器。在PE路由器這間轉發VPN數據流量時，供應商路由器作為MPLS連接LSR使用。由于是在采用兩層標記堆棧的MPLS骨干中轉發流量，因此供應商路由器只需維護到供應商PE路由器的路由，而不需維護每個客戶站點專用的VPN路由信息。

RR:Route Reflector,BGP路由反射器

ASBR:Automated System Border Router，自治系統邊界路由器，在實現跨自治系統的VPN時，與其它自治系統交換VPN路由。

MP-BGP：多協議擴展BGP，承載攜帶標簽的IPv4/VPN路由，包括MP-IBGP、MP-EBGP。

PE-CE路由協議：在PE、CE之間傳遞用戶網絡路由，可以是靜態路由，或RIP、OSPF、ISIS、BGP協議。

LDP：Label distribution Protocol，在PE之間建立盡力而為的LSP，經過P路由器，所有PE、P路由器均需要支持。RSVP-TE：在VPN需要QoS保障時，在PE之間建立具有QoS能力的ER-LSP。

VRF：Virtual Routing Fowarding Table，虛擬路由轉發表，它包含同一個Site相關的路由表、轉發表、接口（子接口）、路由實例和路由策略等。在PE設備上，屬于同一VPN的物理端口或邏輯端口對應一個VRF，可通過命令行或網管工具進行配置，主要參數包括RD(Route Distinguish)、Import Route-Targets、Export Route-Targets、接口（子接口）等。

VPN用戶站點：Site是VPN中的一個孤立的IP網絡，一般來說，它不通過骨干網公司總部、分支機構都是Site的具體例子。CE路由器通常為VPN Site中的一個路由器或交換設備，Site通過一個單獨的物理端口或邏輯端口（通常是VLAN端口）連接到PE設備。

用戶接入MPLS VPN后，每個Site提供一個或多個CE與骨干網的PE連接，并在PE上為該Site配置VRF，將連結PE-CE的物理接口、邏輯接口、甚至L2TP/IPSec隧道綁定到VRF上，但不可以是多跳的三層連接。

BGP擴展實現的MPLS VPN擴展的BGP NLRI的IPv4地址，在其前增加了一個8字節的RD（Route Distinguisher），用于標記VPN的成員(Site)。每個VRF可配置某些策略，規定VPN可以接收哪些Site的路由信息，可以向外發布哪些Site的路由信息。PE根據BGP擴展發布的信息進行路由計算，生成相關VPN的路由表。

通常，PE-CE之間通過靜態路由交換路由信息，也可通過RIP、OSPF、BGP、IS-IS等協議，靜態路由方式可以減少因CE設備管理不善等原因造成的對骨干網BGP路由的震蕩，從而提供骨干網的穩定性。

MPLS BGP三層VPN適用于固定的Internet/Extranet用戶，每個Site可代表Internet/Extranet的總部或分支機構。MPLS三層VPN的CE與PE設備之間只需要一條物理或邏輯鏈路，但PE設備必須保存多個路由表。如果在CPE或PE之間運行動態路由協議，則PE還必須支持多實例，對PE性能要求較高。PE與PE之間需要運行BGP協議，可擴展性較差，目前可通過一個或多個路由反射器解決這一問題。對于同一AS(Automated System)域的VPN，必須建立運營商之間路由器IBGP連接的PE，與路由反射器建立IBGP連接即可。

MPLS BGP三層VPN可通過與Internet路由之間配置一些靜態路由的方式，實現VPN的Internet上網服務，并可為跨不同地域的、屬于同一個AS但沒有骨干網的運營商提供VPN互連，即提供“運營商的運營商”模式的VPN網絡互連。

2.3 MPLS的優點

1.高安全性。MPLS的標記交換路徑(LPS)具有與FR和ATM VCC相似的安全性；另外。MPLS VPN還集成了IPSEC加密，同時也實現了對用戶透時，用戶可以采用防火墻，數據加密等方法，進一步提高安全性。

2.強大的擴展性。第一，網絡可以容納的VPN數目很大；第二，同一VPN的用戶很容易擴充。

3.業務的融合能力。MPLS VPN提供了數據、語音和視頻三網融合的能力。

4.靈活的控制策略?？梢灾贫ㄌ厥獾目刂撇呗?，同時滿足不同用戶的特殊需求，實現增值服務。

5.強大的管理功能。采用集中管理的方式，業務配置和調度統一平臺，減少了用戶的負擔。

6.服務級別協議(SLA)。目前利用差別服務、流量控制和服務級別來保證一定的流量控制，將來可以提供寬帶保證以及更高的服務質量保證。

7.為用戶節省費用。

MPLS是一種結合了鏈路層和IP層優勢的新技術。在MPLS網絡上不僅僅能提供VPN業務，也能夠開展QoS、TE、組播等等的業務。隨著MPLS應用的不斷升溫，不論是產品還是網絡，對MPLS的支持已不再是額外的要求。VPN雖然是一項剛剛興起的綜合性的網絡新技術，但卻已經顯示了其強大的生命力。在我國網絡基礎薄弱，政府和企業對IP虛擬專用網的需求不高，但相信隨著政府上網、特別是在電子商務的推動下，基本MPLS的IP虛擬專用網技術的解決方案必將有不可估量的市場前景。