HoPE技术白皮书

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关键词:MPLS L3VPNHoPE

    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

 



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平面模型的缺陷

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:

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。

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:

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。

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ASVPN部署。目前MPLS L3VPNAS技术,如VPN-instance to VPN-instanceMP-EBGPMultiHop-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。

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:

l              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。

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。

HoPE技术实现方案

2.1  概念介绍

l              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。

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              UPESPEHoPE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。与用户的CE设备直接相连的PE设备称为下层PEUnder-Layer PEUser-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PESuper-Stratum PEService 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。

2.2  技术细节

2.2.1  HoPE基本架构

图2 HoPE基本框架

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。

2.2.2  SPEUPE的分工

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-BGPVPN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。

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。HoPE充分利用了SPE的性能和UPE的接入能力。

需要说明的是,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。

2.2.3  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。

2.2.4  HoPE的演进

图3 HoPE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MPE(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  HoPE分级网络的延伸

图4 HoPE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。SPEUPE可以在同一个AS内,也可以在不同的AS

3.2  HoPE跨自治系统部署

图5 HoPE实现跨AS的分级网络

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MP-EBGPMulti-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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