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HoPE技术白皮书
关键词：MPLS L3VPN、HoPE
摘 要：MPLS L3VPN中的PE分层体系结构（HoPE）提供了一种分层组网模型，解决了MPLS L3VPN业务的覆盖和扩展问题。本文档介绍了HoPE的技术原理，最后给出了HoPE的典型组网应用。
缩略语：
缩略语 | 英文全名 | 中文解释 |
MPLS | MultiProtocol Label Switching | 多协议标记交换技术 |
VPN | Virtual Private Network | 虚拟私有网 |
PE | Provider Edge | 运营商边界网络设备 |
CE | Customer Edge | 用户边界网络设备 |
HoPE | Hierarchy of PE | 分层式PE |
HoVPN | Hierarchy of VPN | 分层式VPN |
BGP | Border Gateway Protocol | 边界网关协议 |
MP-BGP | MultiProtocol extensions for BGP-4 | 多协议扩展BGP |
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。
图1 MPLS L3VPN框架结构图
如图1所示，MPLS L3VPN当前的框架结构中包括P、PE和CE等设备：
l P：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；
l PE：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。
l CE：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，实际上也制约了整个网络VPN业务的广泛覆盖能力与进一步的扩展能力。
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。
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：
l 核心层性能高，但接口资源有限；
l 接入层接口数量大，但性能低；
l 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。
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，但不同层次网络采用的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层次，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AS的VPN部署。目前MPLS L3VPN跨AS技术，如VPN-instance to VPN-instance、MP-EBGP、MultiHop-EBGP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。
总结一下现有MPLS L3VPN架构的缺陷，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：
l 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。
l 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。
l 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。
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：
l 将PE分为多个层次，共同完成一台PE的功能。
l 与分层分级网络相适应，网络层次越高的PE容量和性能要求越高，网络层次越低PE的容量和性能要求越低。
l 网络层次越低，PE数量越大，用户接入能力越强。
l 网络框架可以支持网络的分层扩展，无限延伸的要求。
l 在框架中充分考虑跨AS连接的问题。
在MPLS L3VPN领域提出的PE分层体系结构解决方案，Hierarchy of PE，简称HoPE，可以将PE分为任意多个层次，实现无限扩展与延伸。HoPE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，并形成层次结构，共同完成一个PE的功能。对处于较高层次的设备的路由能力和转发性能要求较高，而对处于较低层次的设备的相应要求也较低，符合典型的分层网络模型。
l VPN-instance：VPN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-instance。VPN-instance包含了独立的路由表和转发表。
l 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。每个站点通过RD标识。
l UPE和SPE：HoPE体系结构中，将传统的MPLS L3VPN的PE设备从一台设备演化为多台设备。与用户的CE设备直接相连的PE设备称为下层PE（Under-Layer PE或User-end PE，用户侧PE），简写为UPE；连接UPE并位于网络内部的设备称为上层PE（Super-Stratum PE或Service Provider-end PE，服务提供商侧PE），简写为SPE。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。
图2 HoPE基本框架
如图2所示，与用户的CE设备直接相连的PE设备称为UPE。连结UPE并位于网络内部的设备称为SPE。
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。
UPE的作用主要是用户的接入，只维护其直接连接的VPN站点路由，但不维护其它远端站点的路由或仅维护它们的聚合路由。UPE为其直接连接的站点的路由分配内层标签，并通过MP-BGP随VPN路由发布这个标签给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。
SPE和UPE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。HoPE充分利用了SPE的性能和UPE的接入能力。
需要说明的是，UPE和SPE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。
SPE和UPE之间运行的MP-BGP，可以是MP-IBGP，也可以是MP-EBGP。这取决于SPE和UPE是否在一个AS内。
图3 HoPE分层网络的演进
如图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MPE（中间层PE）。这种演进方式非常适合城域网的结构。
图4 HoPE分级网络的延伸
如图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HoPE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。SPE和UPE可以在同一个AS内，也可以在不同的AS。
图5 HoPE实现跨AS的分级网络
如图5所示，在这个案例中，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UPE。UPE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，SPE和UPE之间可以采用MP-EBGP或Multi-hop EBGP方式，实现灵活的部署。
采用HoPE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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