电力系统跨域 MPLS VPN技术组网应用

向丽

云南电网有限责任公司楚雄供电局邮编： 650000

摘 要

电力行业是人们生活的基础，其在人们生活质量的提升和经济发展的进步当中具有非常重要的作用。因此，国家对电力行业的发展提出了很高的要求。随着我国电网企业信息化发展的要求，电力数据网络的建设已成为电力企业信息化发展的关键，也是保证电力系统高效稳定运行的基础。根据我国信息化建设以及相关政策的要求，电力系统管理将会成为电力行业方面生产和管理的重要手段。MPLS VPN技术颠覆了传统的VPN技术。其与传统的VPN技术相比，该技术能够保证网络的QOS，对流量进行控制，因此具有更广泛的应用价值。

关键词：电力系统；跨域MPLS VPN技术；组网

前 言

随着MPLS-VPN应用范围的扩展，网络规模的扩充，逐渐出现了在不同AS之间开通MPLS-VPN业务的需求。LDP协议要求“公网LSP”的建立条件是路由条目的掩码全路径相等，这个要求在AS内部比较容易满足，但是对于相互之间只有BGP协议可供选择的AS之间却十分困难。因为一般情况下，运行BGP路由器在向EBGP邻居发布路由消息时，都会进行一定程度的聚合，这就破坏了LSP建立的要求。在这两个矛盾的条件下，不同的跨域方案应运而生，RFC2547给出了典型的三种跨域方案。

一、相关技术

（一）MPLS协议

1.MPLS产生的背景

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，所以迫使所以的路由器的交换引擎必须用软件来实现，用软件实现的交换引擎和ATM交换机上用硬件来实现的交换引擎上无法相抗衡。

2.MPLS概述

传统的IP路由基于报文的IP头部中的目的IP地址进行寻址及转发操作，所有的路由设备需维护路由表用于指导数据转发。路由设备执行路由查询时，依据最长前缀匹配原则进行操作。在IP技术发展的早期，IP路由查询操作依赖软件进行，工作效率非常有限，随着数据业务的迅速发展，这种转发机制逐渐无法适应当时的需求，加上在某些复杂的场景中，还涉及路由的递归查询等操作，这更加影响了IP路由的执行速度。后来，出现了一些新的技术，其中之一就是标签交换技术，例如ATM(Asynchronous Transfer Mode)等，标签交换技术在当时提供了比IP路由更高效的转发机制。再后来，MPLS(Multi-Protocol Lable Switching,多协议标签交换)的出现整合了IP及ATM的优势，并且提供了对IP的良好集成，逐渐成为一项重要且热门的技术。

在MPLS的定义中，多协议(Multi-Protocol)指的是MPLS技术能够支持多种网络协议，例如IPv4、IPv6、CLNP（Connectionless Network Protocol）等。MPLS能够承载单播IPv4、组播IPv4、单播IPv6、组播IPv6等业务，因此支持的业务类型非常丰富；此外，标签交换指的是MPLS设备能够为IP报文增加标签信息，并且基于标签信息对报文进行转发，这提高了数据的转发效率。当然MPLS的优势不仅仅是转发速率上的提升，更重要的是它解决了一系列关键问题、带来了一些新的应用，例如在VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）及流量工程中的应用等。

随着硬件技术的突破，ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）被用于提升IP路由查询的执行效率，IP路由的执行速度被极大程度的提升了，现如今MPLS在提升转发效率方面的优势已经不再明细，但是它的其他优势依然为行业创造着重大价值

（二）MPLS标签协议

一个IP报文进入MPLS域之前，会被入站LSR压入MPLS标签头部，形成一个MPLS标签报文，如下图所示，一个标签报文可以包含一个标签头部，也可以包含多个标签头部。一个标签头部的长度固定为32bit，共包含4个字段：

标签（Label）：用于存储标签值

EXP：主要用于COS（Class of Service）

BOS（Bottom of Stack）：也被称为栈底位，如果该字段的值为1，则表示本标签头部为标签栈的栈底。如果该字段值为0，则表示本标签头部并非栈底。

TTL（Time To Live）：用于防止网络中出现环路时，标签报文被无限制的转发。

MPLS标签的基本操作类型：

压入（Push）

压入操作也被称为插入（Insert）操作，指的是一个IP报文进入MPLS网络时，入站LSR在报文的二层头部之后、IP头部之前压入标签。

置换（Swap）

置换操作指的是在MPLS网络中，LSR转发标签报文时，将标签头部置换成下游LSR所分配的标签。当标签报文存在多层标签时，置换操作通常只对栈顶的标签进行。

弹出（Pop）

弹出操作指的是标签报文离开LSP时，出站LSR将标签报文的栈顶标签移除，如果移除栈顶标签后，该报文不存在其他标签头部，则将LSR针对该报文执行传统的IP路由操作。

（三）MPLS VPN原理

VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网络）指的是在一个公共网络中实现虚拟的专用网络，从而使得用户能够基于该专用网络实现通信的技术，举个简单的例子，Internet是目前最大的公共网络之一，全球有大量的用户接入该网络，Internet上充满了各种安全威胁，如果企业的站点之间直接通过Internet传输私密数据，显然是存在极大的安全隐患的，然而Internet接入线路非常廉价，抛弃Internet，转而选择站点间直接互联的专线确实能够带来更强的安全性，但是也给企业带来了额外的经济成本。

在MPLS L3 VPN中，路由器被分为3类：PE路由器、P路由器和CE路由器。P路由器为BGP/MPLS VPN网络内部路由器，通常只需要运行IGP、MPLS和LDP。PE路由器为BGP/MPLS VPN网络的边缘路由器，用于连接CE设备，通常需要运行MP-BGP、IGP、MPLS和LDP，并为不同的VPN客户配置VPN实例。CE为客户边缘设备，用于连接PE，只需要配置PE-CE连通性。

传统的BGP只能维护单一路由表的路由信息，无法为地址重叠的不同客户之间提供服务，同时也难以对不同的客户数据实施隔离，所以在BGP/MPLS VPN

中使用了MP-BGP，它可以通过VPNv4地址族来区分不同客户的网络层地址信息，并使用VPN实例区分不同VPN客户的路由及流量。

（四）VRF技术原理

VRF（Virtual Routing and Forwarding，虚拟路由转发）是MPLS VPN架构中的关键技术，是一种类似设备虚拟化的概念。VRF是对物理设备的一个逻辑划分，通过部署VRF，可以通过在同一台物理设备上创建多台虚拟设备，每台虚拟设备就像一台独立的设备一样工作。每台虚拟设备拥有独立的路由表、独立的FIB表、独立的动态路由选择进程及专属于该实例的接口等。利用VRF，可以实现路由、数据或业务的隔离。在MPLS VPN中，VRF使得服务提供商在同一台PE设备上能够同时为多个客户提供VPN接入服务。

在BGP/MPLS VPN中，VRF为每个VPN实例为相应的VPN客户单独维护了一张路由表和转发表,不同的VPN实例间路由是不能够互通的。在PE上，通过将连接CE的接口绑定至VPN实例，就可以区分不同VPN客户的路由。当PE将VPN路由传递至对端PE后，对端PE将使用VPN实例的RD与VPN Tage属性来区分VPN路由并将其分配至对应的VPN实例。

（五）MPLS VPN数据转发过程

在单域的BGP/MPLSIPVPN应用中，VPN报文转发采用两层标签方式：

●第一层（公网）标签在骨干网内部进行交换，指示从PE到对端PE的一条LSP。VPN报文利用这层标签，可以沿LSP到达对端PE；

●第二层（私网）标签在从对端PE到达CE时使用，指示报文应被送到哪个Site，或者更具体一些，到达哪一个CE。这样，对端PE根据内层标签可以找到转发报文的接口。

以上图为例说明BGP/MPLSIPVPN报文的转发过程。下图是CE1发送报文给CE2的过程。其中，I-L表示内层标签，O-L表示外层标签。

CE1发送一个VPN报文。

IngressPE从绑定了VPN实例的接口上接收VPN数据包后进行如下操作：

●先根据绑定的VPN实例的RD查找对应VPN的转发表。

●匹配目的IPv4前缀，查找对应的TunnelID。

●将报文打上对应的标签（I-L），根据Tunnel-ID找到隧道。

●将报文从隧道发送出去。此例的隧道是LSP，则打上公网（外层）MPLS标签头（O-L1）。

EgressPE收到该携带两层标签的报文，交给MPLS协议处理。MPLS协议将去掉外层标签（此例最后的外层标签是O-L2，但如果应用了倒数第二跳弹出，则此标签会在到达EgressPE之前的一跳弹出，EgressPE只能收到带有内层标签的报文）。此时EgressPE就可以看见内层标签，发现该标签处于栈底，将内层标签剥离。EgressPE将报文从对应出接口发送给CE2。此时报文是个纯IP报文。

二、跨域VPN方法概述

同在单个AS内建立VPN的过程一样，跨域VPN的建立过程也同样关注两个方面，一是VPN信息的传递方法，一是VPN隧道的建立方法，经过近几年的实践和快速发展，业界提出了几种VPN跨域方法，即OPTIONA/B/C三种，不同方法采用不同的VPN信息传递模式和VPN隧道构建方法，具有鲜明的特点和适合不同的应用场景。

另外，MPLSVPN可以分为MPLS/BGP三层VPN和MPLSL2VPN，两种VPN都支持上述的三种跨域方法，采用相同的跨域理念，只不过MPLS/BGPVPN由于使用较早和部署较广，其对应的跨域方法已经标准化，MPLSL2VPN目前在标准化进程上稍微落后，其对应的跨域标准还没有正式发布，但一些主流厂家对此已有部分或全部支持。

三、跨域VPN方案实现

（一）跨域VPN-OptionA方式

1.OptionA

跨域VPN-OptionA是基本的BGP/MPLSIPVPN在跨域环境下的应用，ASBR之间不需要运行MPLS，也不需要为跨域进行特殊配置。这种方式下，两个AS的边界路由器ASBR直接相连，ASBR同时也是各自所在自治系统的PE。两个ASBR都把对端ASBR看作自己的CE设备，使用EBGP方向向对端发布IPv4路由。

2.方案实现

对于一个需要跨域的VPN用户：VPN-A，需要在所在区域的ASBR上配置一个相同的VPN，如上图所示，分别在ASBR-1和ASBR-2上配置一个VPN-A，然后在在两个ASBR上创建一个逻辑链路用于VPN-A通信，在这种应用中，其实是把ASBR看作一个PE设备，在这个PE上创建了一个相同的VPN，然后把对端的ASBR看作自己的CE设备，这样对于两个自治域而言，就是在运营一个域内的MPLSVPN一样，先把域内的VPN信息扩散到ASBR上（PE），然后再把VPN信息扩散到对端的ASBR上（相对于自己的CE设备），这个ASBR上的VPN收到对端VPN信息后，再把它扩散到自己域内的PE设备。最终到达CE设备，这样就实现了两个域内的VPN路由信息的交互。

3.路由信息的扩散

控制信令：在PE和ASBR之间仍然使用MP-IBGP协议，在两个ASBR之间的两个VPN之间可以使用普通的PE-CE路由协议，建议使用BGP协议，或是静态路由，因为这是两个ASBR之间的信令交互。以上应用的信令和普通的一个自治域内的MPLSVPN是一样的，因此在这个方案里是不需要扩展任何信令协议，也不需要增加任何特殊的处理流程。因此是天然支持的。

路由信息交互流程，比如在CE1中有一条10.0.0.0/8的路由信息，它的发扩散流程如下：D代表目的网段，N代表下一跳，label:代表所携带的标签，PE和ASBR之间使用云团表示，是代表之间可能还有P设备，虚线代表逻辑连接。

PE1发送给ASBR1的仍然是带标签的私网路由，两个ASBR之间交互的是普通的IPV4的路由信息。

4.VPN报文转发流程

数据报文在每个AS内还是和普通的域内的MPLSVPN是一样的标记转发，由于PE和ASBR之间可能有P设备因此报文转发时，需要加上域内的标签，报文中的两层标记是制域内的P设备上的转发情况，到PE设备上，如果支持的倒数第二跳弹出的话，应该只剩下一层标签，图中通用两层标签来表示。在两个ASBR之间是普通的IP转发，这也就是为什么对于不同的VPN，需要在ASBR之间需要独享的逻辑链路原因了，因为是IP报文转发，是不能区分VPN的，因此必须是独享的逻辑链路。

5.方案关键点描述

为了支持不同自治域的VPN互通，必须在ASBR路由器上对应配置相同的VPN，如果跨越多个自治域，配置工作量很大，且对中间域影响比较大，中间域必须支持VPN业务，另外如果VPN比较多，那在每一个ASBR上的配置工作量也是很大的。不过此方案应用非常简单，且不要扩展协议和做特殊配置，属于天然支持，在需要跨域的VPN数量比较少的情况，可以考虑使用，简单的也是实用的。

（二）Option-B跨域实现方法

1.跨域VPN-OptionB方式

跨域VPN-OptionB中，两个ASBR通过MP-EBGP交换它们从各自AS的PE设备接收的标签VPN-IPv4路由。

跨域VPN-OptionB方案中，ASBR接收本域内和域外传过来的所所有跨域VPN-IPv4路由，再把VPN-IPv4路由发布出去。但MPLSVPN基本实现中，PE上只保存与本地VPN实例的VPNTagret相匹配的VPN路由。因此，可以在ASBR上配置不做RT过滤来传递路由，因此无需在ASBR创建VPN实例，无需绑定任何接口。

可以在网络中叠加部署RR设备，专门负责客户侧VPN路由的传递。

2.方案描述

在两个ASBR之间运行MP-EBGP协议，MP-EBGP协议将一个域内的所有的VPN信息传递给另外一个域，传递的是私网路由和标签信息，因为MP-EBGP在传递路由时，是要改变路由的下一跳，根据一个标签分配的原则，当一个FEC的下一跳被改变时，必须在本地更换标签，因此ASBR在收到域内的VPN路由信息，再向外发布时，必须给这些VPN路由信息重新分配标签，VPN路由信息伴随着新的标签被发布出去，而在ASBR本地，新旧标签形成一个标签的交换操作。对端的ASBR收到从MP-EBGP来的VPN路由信息后，在本地保存，在继续向自己域内的PE设备扩散，当这个ASBR向域内的MP-IBGP邻居发布路由时，它可以选择不改变路由的下一跳，或是将路由的下一跳改为自己，如果改变了路由的下一跳，同上面的标签分配原则，也需要为这些VPN路由重新分配标签，在本地形成标签的交换操作。

3.路由信息扩散

根据ASBR向IBGP发送VPN路由时是否改变路由的下一跳，我们分别图示它们的标签路径

1）不改变VPN路由的下一跳

PE-ASBR-1在收到VPN路由后，在向PE-ASBR-2发布路由时，为VPN路由新分了标签，在本地生成了标签交换(l1/l2),PE-ASBR-2收到路由后因为没有改变路由的下一跳，所以就没有更换标签，因此我们从上图的VPNLSP来看，在PE-ASBR-1处因为有标签交换，所以可以看成是两条的VPNLSP被粘连在一起，再看公网的LSP，在两个域内的建立情况是不一样的，AS#2域内的LSP是一直建立到PE-ASBR-1路由器，也就是说在两个ASBR之间需要运行LDP或是RSVP等信令协议。

2）改变下一跳的情况

在PE-ASBR-1和PE-ASBR-2上分别对VPN路由变换了标签，因此看VPNLSP，是相当于三条VPNLSP被粘连在一起了。由于两个ASBR之间有一段独立的LSP，所以每个域内的VPNLSP只是建立在域内，和方式1）是明显不一样的（它是建立到对端的ASBR路由器上）。同样看公网的LSP，都是建立在域内的，因此这种方式下，在两个ASBR之间是不需要运行LDP或是RSVP等信令协议的。

4.数据流程

1）ASBR上不改变下一跳的情况

图中标签Lx,Ly,Lz等是代表公网LSP的标签

2）ASBR上改变下一跳的情况

5.方案关键点描述

报文转发时，需要在两个ASBR上都要对VPN的LSP做一次交换。还有一个问题需要注意的是，这种解决方案需要在ASBR上接收本域内和域外传过来的所有VPN路由，然后在把VPN给扩散出去，但是MPLSVPN的特性结构中要求，只有一个PE上有VPN匹配一条VPN路由时，这条VPN路由才会被保存下来，因此对于上述ASBR上需要保存VPN路由的需求必须做特殊的配置（因为ASBR上可能根本就没有配置VPN），让ASBR把收到的VPN路由全部的保存下来，而不管，本地是否有和它匹配的VPN。

由于这种方案需要在ASBR上保存所有的VPN路由，因此这本身就是对路由器提出了很高的要求，使ASBR更容易成为故障点。不过只要VPN的路由数量不是很多，这种方案不失为一种配置简单且实用的方案。

（三）Option-C跨域实现方法（多跳MP-EBGP方式）

1.跨域VPN-OptionC方式

跨域VPN-OptionC中，ASBR通过MP-IBGP向各自AS内的PE设备发布标签IPv4路由，并将到达本AS内PE的标签IPv4路由通告给它在对端AS的ASBR对等体，过渡自治系统中的ASBR也通告带标签的IPv4路由，这样，在入口PE和出口ASBR之间建立一条BGPLSP。

不同AS的PE之间建立Multihop方式的连接，交换VPNv4路由

ASBR上不保存VPN-IPv4路由，相互之间也不通告VPNv4路由

当网络规模较大时，可以在方案中部署RR设备，专门负责用户侧路由的传递。即，PE与RR建立MP-IBGP邻居，RR1与RR2建立MP-EBGP邻居，路由传递为PE1-RR1-RR2-PE2，PE之间无需直接建立BGP邻居关系，当VPN数量较多时，引入RR的方式可以减轻PE的工作负担。

2.组网拓扑

在MP-EBGP方案中，VPN的路由信息是通过自治域之间的ASBR路由器来保存和扩散的，当VPN路由比较多时，会对这台ASBR产生很大的压力，由于是要经过多个域的时候，在每个域的ASBR上都要保存相同的VPN路由，如果这种解决方案中的路由器同时也承当公网IP转发的ASBR时，对设备的要求就更高，因此MP-EBGP方案中，对于需要承担VPN路由信息的ASBR一般都单独设置，就是一般不让它同时充当VPN的ASBR，又承当IP的ASBR功能。其实前面的两种解决方案中，考虑的都是怎么把一个域的VPN路由信息，怎么给中继到另外一个域中，都是通过一个中间设备，把路由收下来以后，继续向其他的域扩散。因此这也就把这些中继的路由器硬是套上了支持VPN特性的需求。尤其是在跨域比较多时，影响到的设备就尤其多，这个和MPLSVPN的基本思想，就是除了PE设备外，其他的设备都是开不见VPN信息的思想是相违背的。

因此自然而然想到最好的解决办法就是，在跨域情况下，也和一个域的MPLSVPN网络一样，VPN路由是直接可以扩散的，不需要中间设备的保存和扩散，其实BGP本身就是有这种功能的，就是两个不同的自治域，可以直接的建立BGP连接，交互路由信息，那对与VPN的路由信息也是一样的，也是可以让两个自治域的PE设备（或是RR）之间直接的交互VPN的路由信息。这点是很容易做到的，就是通过MULTIHOP-EBGP来实现，这也是MULTIHOP-EBGP跨域VPN解决方案中，最需要解决的问题。

3.控制流程

由于VPN的路由信息获得是通过MBGP直接获得的，和普通的域内的MPLSVPN是一样的，因此我们在次对VPN路由信息的扩散，不做重点描述，主要描述公网隧道的建立问题。

如图：

PE1和PE2就是分属两个不同域的PE设备，他们上面的VPN路由已经通过MULTIHOP-EBGP方式已经发布出去，比如PE2收到PE上的一条VPN路由，它的下一跳是10.0.0.1，现在需要的是在PE2上有一条目的地址为10.0.0.1的一条LSP隧道，下面就看这条隧道到底是怎么生成的。

首先PE1把VPN路由的下一跳地址的网段路由10.0.0.1/32发布出去，通过域内的IGP等使域内的路由器都可以学到这条路由，首先这条路由在自己的域内根据标签信令协议等创建了一条公网的LSP，然后ASBR1把这条路由向对端的ASBR2发送时，要给这条路由分配一个标签L1，就是形成一个BGP的LSP，然后把这条BGP的LSP和刚才域内创建的LSP粘连起来。对端的ASBR2学到这条公网路由后，再为这条公网分配一个新的标签l2,在本地形成标签的交换信息，然后把这条路由发布给域内的PE设备PE2。在这里要说明一点的是，两个ASBR之间虽然交互的公网路由，但是并不是普通的公网路由的报文格式，而是携带了标签的公网路由信息（遵循RFC3107）。另外对于公网路由的标记分配，并不是两个AS的每一条公网路由都需要分配标签的，只有那些充当了VPN路由的下一跳的网段才需要分配标签。

PE2通过新的BGP扩展协议获得了这个VPN路由的下一跳地址的路由后，由于是携带了标签，所以很容易识别，因为这条路由是IBGP学来的路由，所以肯定要根据BGP路由的下一跳地址来叠代一条域内的相同的IGP路由，在上图中，PE2收到了10.0.0.1/32的路由信息，它的下一跳地址是asbr-2的接口网段，这个网段应该在域内已经创建了一条公网的LSP，这时将10.0.0.1/32的这条路由的BGP标签和根据它的下一跳地址找到的域内的公网LSP叠加起来。这样在PE2上就形成了一个目的地址为10.0.0.1的公网LSP隧道。如上图所示，我们会注意到这条公网LSP和普通的MPLSVPN中的LSP隧道是不一样，主要表现在，在AS#2域中的公网LSP是两层的标签的，而在AS#1域中是单层的标签。

隧道的两层标签中，上面的一条是公网的LSP和BGP的LSP粘连在一起的。而下面的一层仅仅是域内的普通的一条LSP隧道。

这样我们就在PE1和PE2之间有了一条端到端的LSP隧道，将VPN路由关联到这条隧道上去，就可以支持跨域的MPLSVPN了。

4.数据流程

假设PE2收到了PE1的一条VPN路由，标签是Lv,下一跳就是PE1的一个接口地址。那么转发的数据流程如下：

报文从PE2转出时，需要压上三层标签，分别的VPN路由的标签，BGPLSP的标签，公网LSP的标签。到ASBR2时，就只剩下两层标签了，分别是VPN的路由标签和BGPLSP的标签，进入ASBR1后，BGPLSP就终结掉了，就剩下VPN路由的标签和公网LSP的标签了，以后就是普通的MPLSVPN的转发流程了。

5.方案关键点描述

MULTIHOP-EBGP的跨域方案应该说是最理想的，因为它符合MPLSVPN的体系结构的一些要求，比如VPN的路由信息只出现在PE设备上，而P路由器只负责报文的转发，这样就使中间域的设备可以不支持MPLSVPN业务，就是一个普通的支持IP转发的ASBR路由器，在充当以上跨域的前提下，还可以同时支持普通的IP业务。尤其是在跨越多个域时优势更加明显，而且这个方案更适合支持MPLSVPN的负载分担等功能。而且没有可能会成为性能瓶颈的点。不过由于这种解决方案中需要对普通的BGP做扩展，且隧道的生成也是有别于普通的MPLSVPN结构，因此维护和理解起来难度比较大。

结语

除了上面的这些典型的跨域方案外，还有一些和普通的 IP 隧道结合的跨域方案，比如 通过在几个自治间直接使用 GRE 隧道打通，这样就大大的简化了跨域的应用，也不失是在 特定环境下的优秀方案。

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