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HoVPN技术白皮书-6W100

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HoVPN技术白皮书

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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概述

1.1  产生背景

在解决企业互连和提供各种新业务方面,MPLS L3VPN越来越受到网络运营商的重视,成为IP网络运营商提供增值业务的重要手段。目前,虽然MPLS L3VPN技术基本解决了业务提供的问题,成为一种基础电信业务及普遍服务,但是MPLS L3VPN还面临着诸多挑战,例如传统MPLS L3VPN的架构面临着性能和扩展性的问题,急需解决。

1.1.1  当前MPLS L3VPN网络的平面模型

图1 MPLS L3VPN框架结构图

 

1所示,MPLS L3VPN当前的框架结构中包括PPECE等设备:

·     PProvider,服务提供商网络)设备:运营商网络中不与CE直接相连的设备,不感知VPN是否存在,只需要具备基本MPLS转发能力;

·     PEProvider Edge,服务提供商网络边缘)设备:运营商网络中的边缘设备,它直接与用户的CE相连,完成VPN实现的主要功能;在MPLS网络中,对VPN的所有处理都发生在PE上。

·     CECustomer Edge,用户网络边缘)设备:用户站点中直接与服务提供商相连的边缘设备,只需支持普通的IP转发功能即可。

在以上三种设备中,真正参与VPN业务部署的只有PE设备,也就是说MPLS L3VPN业务的压力都集中在PE设备上。MPLS L3VPN是一种平面模型,PE在整个框架中是对等关系,无论处于网络中哪个位置,对性能的要求都是相同的。这种平面结构的问题在于,如果其中某些PE存在性能和扩展性问题,将会也制约了整个网络VPN业务的广泛覆盖能力与进一步的扩展能力。

1.1.2  典型的网络构架要求

目前,一些典型的网络结构对MPLS L3VPN架构提出了许多要求,这些网络结构包括分层网络结构和分级网络结构。

1. 典型分层网络结构

目前网络设计基本都采用经典的分层结构,如城域网典型结构是核心-汇聚-接入三层模型,对设备性能的要求依次降低,网络规模依次扩大。

PE设备接入用户需要大量接口,处理用户报文需要大容量的内存和转发能力,而各层次PE设备难以同时具备高性能和大量接口:

·     核心层性能高,但接口资源有限;

·     接入层接口数量大,但性能低;

·     汇聚层的接口数量和性能可能都不满足要求。

因此单独在某一个层次部署PE都存在扩展性问题,这就为PE设备向网络边缘的扩展带来了困难。MPLS L3VPN的平面模型同典型分层网络的模型不符合,是造成网络扩展困难的主要原因。在典型分层网络结构中,需要充分利用网络各层次的优势,如上层设备的性能,及下层设备的接入能力,共同提供完整的VPN业务,并支持网络平滑演进。

2. 典型分级网络结构

网络的分级是必然的要求。一方面,从地域和管理的角度,需要有国家、省、城市、区县等多级别网络的划分;另一方面,单一的网络级别(如骨干网),其规模毕竟有限,不可能提供广泛的覆盖能力,分级是必然的要求。

在一个分级MPLS L3VPN网络中,可能跨越了多个AS,如:国家骨干、省骨干、城域网、区县网络。各级别的网络中都需要部署PE节点接入VPN站点,但不同级别网络采用的PE设备的档次有很大的差别,例如,骨干网部署的PE可能是核心路由器或者高端汇聚路由器,而城域网、区县网络的PE可能是中低端路由器。

由于MPLS L3VPN是平面结构,PE设备无论处于网络的哪个级别,对其性能要求是相同的,随着MPLS L3VPN业务的大规模部署,边缘网络的PE必然出现扩展性问题,形成瓶颈。

另外,在分级网络中还需要考虑跨ASVPN部署。目前MPLS L3VPNAS技术,如VPN-OptionAVPN-OptionBVPN-OptionC等方式,都是一种AS之间的对等结构,而不是一种分级结构,比较适用于运营商之间的VPN互通,而不适合运营商内部的网络分级要求。

既然网络的分级是必然的,在MPLS L3VPN网络框架设计中考虑分级网络的要求,增强扩展性,并实现跨AS的分级结构,成为亟待解决的问题。

1.1.3  MPLS L3VPN平面架构的缺陷

现有MPLS L3VPN平面架构存在缺陷,最主要的问题是平面型的结构不能适应网络分级、分层模型的要求。由此导致了其它诸方面的问题:

·     由于MPLS L3VPN网络不能实现分层和分级,使业务的覆盖能力受到限制,使运营成本无法降低,影响了MPLS L3VPN的大规模部署,限制了高价值的端到端的业务开展。

·     网络的扩展能力受到制约,无法实现MPLS L3VPN业务不断向网络边缘延伸的需求,不利于业务的平滑演进及投资保护。

·     由于平面化模型不能充分利用网络各层次的能力,必须采用高档次的PE设备,增加了网络建设的成本。

因此,优化MPLS L3VPN网络架构成为必然的要求与发展方向。

1.2  技术优点

为适应网络分层与分级的结构,解决扩展性问题,MPLS L3VPN网络分层架构的解决方案应运而生。MPLS L3VPN网络分层架构的设计思路是:

·     PE分为多个层次,共同完成一台PE的功能。

·     与分层分级网络相适应,网络层级越高的PE容量和性能要求越高,网络层级越低PE的容量和性能要求越低。

·     网络层级越低,PE数量越大,用户接入能力越强。

·     网络框架可以支持网络的分层扩展,无限延伸的要求。

·     在框架中充分考虑跨AS连接的问题。

MPLS L3VPN领域提出的PE分层体系结构解决方案HoVPNHierarchy of VPN,分层VPN),又称HoPEHierarchy of PE,分层PE),可以将PE分为任意多个层次,实现无限扩展与延伸。HoVPN解决方案的提出,实现了将PE的功能分布到多个PE设备上,多个PE承担不同的角色,并形成层级结构,共同完成一个PE的功能。对处于较高层级的设备的路由能力和转发性能要求较高,而对处于较低层级的设备的相应要求也较低,符合典型的分层与分级网络模型。

HoVPN技术实现方案

2.1  HoVPN基本架构

图2 HoVPN基本框架

 

2所示,HoVPN体系结构中,将传统的MPLS L3VPNPE设备从一台设备演化为多台设备。HoVPNPE划分为UPEUnderlayer PE or User-end PE,下层PE或用户侧PE)和SPESuperstratum PE or Service Provider-end PE,上层PE或运营商侧PE)。多个UPE和一个SPE构成分层式PE,共同完成传统上一个PE的功能。

HoVPN体系结构包含如下组成部分:

·     VPN instanceVPN实例,在MPLS L3VPN中,不同VPN之间的路由隔离通过VPN instance实现。PE为每个直连的站点建立并维护独立的VPN instanceVPN instance包含了独立的路由表和转发表。

·     VPN站点:是VPN中的一个孤立的IP网络,可以属于一个或几个VPN

·     UPE:与用户的CE设备直接相连的PE设备。

·     SPE:连结UPE并位于MPLS网络内部的设备。

2.2  SPEUPE的分工

UPE的作用主要是用户的接入,维护其直接连接的VPN站点路由,不维护远端站点的路由或仅维护远端站点的聚合路由。UPE为其直接连接的站点的路由分配内层标签,并通过MP-BGP将这个标签给SPE

SPE的作用主要是VPN路由的维护及扩散,需要维护VPN的所有路由,包括本地和远程站点中的路由。SPE将路由信息发布给UPE,并携带标签。SPE发布的路由信息可以是VPN实例的缺省路由(或聚合路由),也可以是通过路由策略的路由信息。通过后者可以实现对同一VPN下不同站点之间互访的控制。

SPEUPE的这种分工体现了不同层次PE的特点:SPE的路由表容量大,转发性能强,但接口资源较少;UPE路由和转发性能较低,但设备数量多,接入能力强,而且可以就近接入。HoVPN充分利用了SPE的性能和UPE的接入能力。

UPESPE实际上是相对的概念。在多个层次PE的结构中,上层相对于下层就是SPE,下层相对于上层就是UPE

分层式PE从外部来看同传统上的PE没有任何区别,因此它可以同普通PE在一个MPLS网络中共存。

2.3  SPEUPE之间的协议

SPEUPE之间运行的MP-BGP,可以是MP-IBGP,也可以是MP-EBGP。这取决于SPEUPE是否在一个AS内。

2.4  HoVPN的演进

图3 HoVPN分层网络的演进

 

3所示,PE初期部署在汇聚层。当汇聚层接口数目不足时,扩展到接入层,接入层充当UPE,汇聚层充当SPE;当汇聚层路由容量不够时,扩展到核心层,核心层充当SPE,汇聚层充当UPE;当两种情况都发生时,形成三层结构,汇聚层充当MPEMiddle-level PE,中间层PE)。这种演进方式非常适合城域网的结构。

典型组网应用

3.1  HoVPN分级网络的延伸

图4 HoVPN分级网络的延伸

 

4所示,MPLS L3VPN在全国范围内部署时,通常采用一种扁平化的组网结构,也就是直接通过骨干网来提供MPLS L3VPN业务。在这种结构中,骨干网的PE通常设置在中心城市,用户CE都通过一条链路汇聚到PE节点。

这种方式的缺陷在于:中心城市在接入远程CE时,需要消耗大量的广域链路资源;骨干网的规模不可能无限制地扩展,其覆盖能力和扩展性面临严峻挑战。

采用HoVPN之后,可以在地市甚至县部署UPE节点,形成多层结构,就近接入VPN用户。同时网络的覆盖能力得到了增强,可以根据需要实现业务的平滑演进,以及网络的扩展与延伸。SPEUPE可以在同一个AS内,也可以在不同的AS

3.2  HoVPN跨自治系统部署

图5 HoVPN实现跨AS的分级网络

 

5所示,骨干网和城域网属于不同的自治系统,骨干网可以设置SPE,城域网设置UPEUPE将城域网全部路由发送给SPE,而SPE只发送VPN实例的缺省路由或通过路由策略过滤的路由信息给UPE。这样,城域网只需要维护内部的VPN站点路由,而不需要维护城域网之外站点的路由。骨干网需要维护全局VPN站点的路由。

在跨AS方案中,SPEUPE之间可以采用VPN-OptionBVPN-OptionC方式,实现灵活的部署。

采用HoVPN实现的跨AS方案特点在于适应了网络分级的要求,上级网络(骨干网)处理全局业务,下级网络(城域网)只需要处理本地业务,这样就不会因为全局VPN业务发展导致下级网络出现容量和扩展性问题。

 

 

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