基于MPLS的VPN技术原理及其实现

摘要：在研究了基于MPLS的VPN技术的原理和工作的基础上，给出了基于BGP扩展实现的MPLS VPN的一个网络组成模型，同时描述了这个模型中的各个设备及其功能。最后分析了MPLS VPN的技术优势及其应用前景。

随着Internet的蓬勃发展，人们对其应用提出了更高的要求。但Internet缺乏有效的流量和网络带宽管理手段，网络经常会发生阻塞。无法对服务质量(QoS)提供保证，许多应用对于目前的IP技术(如语音和视频等)显得力不从心。而新兴的多协议标记交换技术(MPLS:MultiProtocol Label Switching)有望解决这一问题。

1 VPN简介

VPN指的是依靠ISP和其它NSP，在公用网络中建立专有数据通信网络的技术。在虚拟专网中，任意两个接点之间的连接并没有传统专网所需的端到端的物理链路，而是利用某种公共网的资源动态组成的。VPN技术采用季认证、存取控制、机密性、数据完整性等措施，以保证信息在传输过程中的机密性、完整性和可用性。它是在公共Internet之上为政府、企业构恐安全可靠、方便快捷的专用网络，并可节省资金。VPN技术是广域网建设的最佳解决方染，它不仅会大大节省广域网的建设和运行维护费用，而且拥有成本低、便于管理，开销少、灵活度高，保密性好等优点。

2 基于MPLS的VPN技术

2.1 MPLS的基本原理

MPLS VPN是指基于MPLS技术构建的虚拟专用网，即采用MPLS技术，在公共IP网络上构建企业IP专网，实现数据、语音、图像等多业务宽带连接。并结合差别服务、流量工程等相关技术，为用户提供高质量的服务。MPLS VPN能够在提供原有VPN网络所有功能的同时，提供强有力的QoS能力，具有可靠性高、安全性高、扩展能力强、控制策略灵活以及管理能力强大等特点。

MPLS是一种特殊的转发机制，它为进入网络中的IP数据包分配标记，并通过对标记的交换来实现IP数据包的转发。标记作为IP包头在网络中的替代品而存在，在网络内部MPLS在数据包所经过的路径通过交换标记（而不是看IP包头）来实现转发；当数据包要退出MPLS网络时，数据包被解开封装，继续按照IP包的路由方式到达目的地。

    如图1所示，MPLS网络包含一些基本的元素。在网络边缘的节点就称作标记边缘路由器(LER:Label Edge Router),而网络的核心节点就称作标记交换路由器（LSR：Label Switching Router）。LER节点在网络中提供高速交换功能。在MPLS节点之间的路径就叫做标记交换路径(LSP:Label Switched Path)。一条LSP可以看作是一条贯穿网络的单向隧道。

MPLS的工作流程可以分为三个方面：即网络的边缘行为、网络的中心行为以及如何建立标记交换路径。

1. 网络的边缘行为

当IP数据包到达一个LER时，MPLS第一次应用标记。首先，LER要分析IP包头的信息，并且按照它的目的地址和业务等级加以区分。

在LER中，MPLS使用了转发等价类(FEC:Forwarding Equivalence Class)的概念来将输入的数据流映射到一条LSP上。简单地说，FEC就是定义了一组沿着同一条路径、有相同处理过程的数据包。这就意味着所有的FEC相同的包都可以映射到同一个标记中。

对于每一个FEC，LER都建立一条独立的LSP穿过网络，到达目的地。数据包分配到一个FEC后，LER就可以根据标记信息库(LIB:Label Information Base)来为其生成一个标记。标记信息库将每一个FEC都映射到LSP下一跳的标记上。如果下一跳的链路是ATM，则MPLS将使用ATM VCC里的VCI作为标记。

转发数据包时，LER检查标记信息库中的FEC，然后将数据包用LSP的标记封装，从标记信息库所规定的下一个接口发送出去。

2. 网络的核心行为

当一个带有标记的包到达LSR的时候，LSR提取入局标记，同时以它作为索引在标记信息库中查找。当LSR找到相关信息后，取出出局的标记，并由出局标记代替入局标记，从标记信息库中所描述的下一跳接口送出数据包。

最后，数据包到达了MPLS域的另一端，在这一点，LER剥去封装的标记，仍然按照IP包的路由方式将数据包继续传送到目的地。

3. 如何建立标记交换路径

建立LSP的方式主要有两种：

(1)“Hop by Hop (逐跳寻径) ”路由

一个Hop-by -Hop的LSP是所有从源站点到一个特定目的站点的IP树的一部分。对于这些LSP，MPLS模仿IP转发数据包的面向目的地的方式建立了一组树。

从传统的IP路由来看，每一台沿途的路由器都要检查包的目的地址，并且选择一条合适的路径将数据包发送出去。而MPLS则不然，数据包虽然也沿着IP路由所选择的同一条路径进行传送，但是它的数据包头在整条路径上从始至终都没有被检查。

在每一个节点，MPLS生成的树是通过一级一级地为下一跳分配标记，而且是通过与它们的对等层交换标记而生成的。交换是通过标记分配协议(LDP:Label Distribution Protocol)的请求以及对应的消息完成的。

(2)显式路由

MPLS最主要的优点就是它可以利用流量设计“引导”数据包。MPLS允许网络的运行人员在源节点就确定一条显式路由的LSP（ER-LSP），以规定数据包将选择的路径。ER-LSP从源端到目的端建立一条直接的端到端的路径。MPLS将显式路由嵌入到限制路由的标记分配协议的信息中，从而建立这条路径。

2.2 基本MPLS的VPN实现

如图2所示，基于BGP扩展实现的MPLS三层VPN包含以下基本组件：

PE：Provider Edge Router,PE路由器使用静态路由、RIPv2、OSPF或EBGP与CE路由器交换路由信息。尽管PE路由器维护着VPN路由信息，但它只需为其直接相连的那些VPN维护VPN路由。每台PE路由器为其直接相连的每个站点维护一个VRP（Virtual Routing Forwarding Table），每个客户连接映射到某个VRF上。在从CE路由器上学习本地VPN路由信息。PE路由器使用IBGP与其它路由器交换VPN路由信息。PE路由器可以保护到路由反射器的IBGP会话，作为全网状IBGP会话的替代方案。使用MPLS在供应商骨干中转发VPN数据流量时，入口PE路由器作为入MPLS使用，出入PE路由器作为出中LSR使用。

    CE：客户边缘(CE)设备允许客户通过连接一台或多台供应商边缘（PE）路由器的一条数据链路接入服务供应商网络。CE设备是一台IP路由器，它与直接连接的PE路由器建立邻接关系。在建立邻接后，CE路由器把站点的本地VPN路由广播到PE路由器，并从PE路由器上学习远程VPN路由。

Prouter:Provider Router，供应商路由器是没有连接CE设备的供应商网络中的任何路由器。在PE路由器这间转发VPN数据流量时，供应商路由器作为MPLS连接LSR使用。由于是在采用两层标记堆栈的MPLS骨干中转发流量，因此供应商路由器只需维护到供应商PE路由器的路由，而不需维护每个客户站点专用的VPN路由信息。

RR:Route Reflector,BGP路由反射器

ASBR:Automated System Border Router，自治系统边界路由器，在实现跨自治系统的VPN时，与其它自治系统交换VPN路由。

MP-BGP：多协议扩展BGP，承载携带标签的IPv4/VPN路由，包括MP-IBGP、MP-EBGP。

PE-CE路由协议：在PE、CE之间传递用户网络路由，可以是静态路由，或RIP、OSPF、ISIS、BGP协议。

LDP：Label distribution Protocol，在PE之间建立尽力而为的LSP，经过P路由器，所有PE、P路由器均需要支持。RSVP-TE：在VPN需要QoS保障时，在PE之间建立具有QoS能力的ER-LSP。

VRF：Virtual Routing Fowarding Table，虚拟路由转发表，它包含同一个Site相关的路由表、转发表、接口（子接口）、路由实例和路由策略等。在PE设备上，属于同一VPN的物理端口或逻辑端口对应一个VRF，可通过命令行或网管工具进行配置，主要参数包括RD(Route Distinguish)、Import Route-Targets、Export Route-Targets、接口（子接口）等。

VPN用户站点：Site是VPN中的一个孤立的IP网络，一般来说，它不通过骨干网公司总部、分支机构都是Site的具体例子。CE路由器通常为VPN Site中的一个路由器或交换设备，Site通过一个单独的物理端口或逻辑端口（通常是VLAN端口）连接到PE设备。

用户接入MPLS VPN后，每个Site提供一个或多个CE与骨干网的PE连接，并在PE上为该Site配置VRF，将连结PE-CE的物理接口、逻辑接口、甚至L2TP/IPSec隧道绑定到VRF上，但不可以是多跳的三层连接。

BGP扩展实现的MPLS VPN扩展的BGP NLRI的IPv4地址，在其前增加了一个8字节的RD（Route Distinguisher），用于标记VPN的成员(Site)。每个VRF可配置某些策略，规定VPN可以接收哪些Site的路由信息，可以向外发布哪些Site的路由信息。PE根据BGP扩展发布的信息进行路由计算，生成相关VPN的路由表。

通常，PE-CE之间通过静态路由交换路由信息，也可通过RIP、OSPF、BGP、IS-IS等协议，静态路由方式可以减少因CE设备管理不善等原因造成的对骨干网BGP路由的震荡，从而提供骨干网的稳定性。

MPLS BGP三层VPN适用于固定的Internet/Extranet用户，每个Site可代表Internet/Extranet的总部或分支机构。MPLS三层VPN的CE与PE设备之间只需要一条物理或逻辑链路，但PE设备必须保存多个路由表。如果在CPE或PE之间运行动态路由协议，则PE还必须支持多实例，对PE性能要求较高。PE与PE之间需要运行BGP协议，可扩展性较差，目前可通过一个或多个路由反射器解决这一问题。对于同一AS(Automated System)域的VPN，必须建立运营商之间路由器IBGP连接的PE，与路由反射器建立IBGP连接即可。

MPLS BGP三层VPN可通过与Internet路由之间配置一些静态路由的方式，实现VPN的Internet上网服务，并可为跨不同地域的、属于同一个AS但没有骨干网的运营商提供VPN互连，即提供“运营商的运营商”模式的VPN网络互连。

2.3 MPLS的优点

1.高安全性。MPLS的标记交换路径(LPS)具有与FR和ATM VCC相似的安全性；另外。MPLS VPN还集成了IPSEC加密，同时也实现了对用户透时，用户可以采用防火墙，数据加密等方法，进一步提高安全性。

2.强大的扩展性。第一，网络可以容纳的VPN数目很大；第二，同一VPN的用户很容易扩充。

3.业务的融合能力。MPLS VPN提供了数据、语音和视频三网融合的能力。

4.灵活的控制策略。可以制定特殊的控制策略，同时满足不同用户的特殊需求，实现增值服务。

5.强大的管理功能。采用集中管理的方式，业务配置和调度统一平台，减少了用户的负担。

6.服务级别协议(SLA)。目前利用差别服务、流量控制和服务级别来保证一定的流量控制，将来可以提供宽带保证以及更高的服务质量保证。

7.为用户节省费用。

MPLS是一种结合了链路层和IP层优势的新技术。在MPLS网络上不仅仅能提供VPN业务，也能够开展QoS、TE、组播等等的业务。随着MPLS应用的不断升温，不论是产品还是网络，对MPLS的支持已不再是额外的要求。VPN虽然是一项刚刚兴起的综合性的网络新技术，但却已经显示了其强大的生命力。在我国网络基础薄弱，政府和企业对IP虚拟专用网的需求不高，但相信随着政府上网、特别是在电子商务的推动下，基本MPLS的IP虚拟专用网技术的解决方案必将有不可估量的市场前景。