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什么是HVPN?为什么需要HVPN?

HVPN(Hierarchy VPN)是应用在分层结构网络中的VPN技术。常规的BGP/MPLS IP VPN是一种平面网络模型,对网络中的所有PE(Provider Edge,网络边缘设备)的性能要求相同,如果部分PE设备的性能不高,将影响整个网络的性能,限制接入用户的规模。为解决此类问题,HVPN技术应用而生,它可以将平面网络模型转变为分层网络模型,从而逐级降低对设备的性能要求,同时提高网络的可扩展性,有利于大规模网络的规划和设计。

为什么需要HVPN?

HVPN产生的背景

BGP/MPLS IP VPN网络是一种平面网络模型,它使用BGP(Border Gateway Protocol)在服务提供商骨干网上发布VPN路由,使用MPLS(Multiprotocol Label Switching)在服务提供商骨干网上转发VPN报文。如下图所示,PE(Provider Edge,网络边缘设备)设备是服务提供商网络的边缘设备,所有的PE均处于同一平面。

BGP/MPLS IP VPN模型
BGP/MPLS IP VPN模型

BGP/MPLS IP VPN网络中的VPN业务部署的压力集中在PE设备上,对PE性能要求较高,并且对PE的性能要求都是相同的。而随着网络规模的不断扩大,业务种类的不断增加,部分PE设备的接入能力无法满足需求。而在平面型的网络结构中,如果某些PE设备存在性能问题,可能会导致整个网络的性能和可扩展性受到影响,不利于大规模部署VPN。同时,现在的网络设计大多采用分层结构,例如,城域网的典型结构是三层模型:核心层、汇聚层、接入层。为了在分层结构的网络中部署VPN功能,产生了HVPN技术。

为了解决部分PE设备的性能不高,影响整个网络的性能,限制接入用户规模的问题,BGP/MPLS IP VPN需从平面模型转变成分层模型,即配置HVPN(Hierarchy VPN,简称为HVPN)功能。如下图所示,HVPN功能将PE的功能分布到多个PE设备上,由多个PE设备承担不同的角色。

HVPN的组网结构及优点

HVPN的基本结构
HVPN的基本结构

HVPN网络中的设备分类

UPE:直接连接用户的设备称为下层PE(Under-layer PE)或用户侧PE(User-end PE),简称UPE。UPE主要完成用户接入功能。

SPE:接入UPE并位于网络内部的设备称为上层PE(Superstratum PE)或运营商侧PE(Service Provider-end PE),简称SPE。SPE主要完成VPN路由的管理和发布。

NPE:连接SPE并面向网络侧的PE称为网络侧PE(Network Provider-end PE),简称NPE。

SPE和UPE的分工体现了不同层次PE的特点。这里的UPE和SPE实际上是相对的概念,在多个层次的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。

HVPN网络中的设备作用

  • UPE的作用主要是负责用户的接入,只需要维护与其直接连接的VPN站点路由,所有远端路由都用一条缺省或聚合路由替代。UPE为其直接连接的站点的路由分配内层私网标签,并通过MP-BGP协议随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。
  • NPE的作用主要是连接SPE,并学习来自UPE的路由。

UPE和SPE之间采用标签转发,只需要一个接口连接,SPE不需要使用大量接口来接入用户。UPE和SPE之间的接口可以是物理接口、子接口(如VLAN子接口)或隧道接口(如LSP接口)。当SPE和UPE之间相隔一个IP网络或MPLS网络时,可以采用隧道接口连接SPE和UPE,UPE或SPE发出的标签报文经过隧道传递。由于分工的不同,对SPE和UPE的要求也不同:SPE的路由表容量大,转发性能强,但接口资源较少;UPE的路由容量和转发性能较低,但接入能力强。

HVPN形成了层次结构,充分利用网络层次的优势,如上层设备的性能,下层设备的接入能力,共同完成一个PE的功能,因此,这种解决方案有时也被称为分层PE(Hierarchy of PE/Hierarchical Provider Edge,简称HoPE)。

部署HVPN组网方案的优点

  • 有良好的可扩展性。可以为性能不够的下层PE添加上层PE,使得底层PE位置下移;或者为接入能力不足的上层PE添加下层PE。
  • 节约有限的接口资源。下层PE和上层PE之间采用标签转发,因而只需要一个接口或子接口相互连接。
  • 减轻了下层PE的负担。下层PE上只需维护本地接入的VPN路由,所有远端路由都用一条缺省或聚合路由替代。
  • 配置工作量小。上层PE和下层PE通过动态路由协议MP-BGP交换路由、发布标签,每一个下层PE只需建立一个MP-BGP对等体。

HVPN是如何工作的?

HVPN承载方案具备大规模动态组网能力,同时能够分担顶端汇聚设备压力。

HVPN的模式

HVPN可以分为HoVPN与H-VPN两种模式。

  • HoVPN:SPE仅向UPE发布缺省路由。UPE没有到达NPE的明细路由,仅能通过缺省路由将VPN业务的数据发送给SPE,从而达到路由隔离的目的。因此HoVPN组网中的UPE设备可以采用路由管理能力较低的设备,节约了网络部署的成本。
  • H-VPN:SPE可以向UPE发布明细路由。UPE作为反射器SPE的客户端,接收SPE反射的明细路由,这样更加便于对路由管理和流量转发进行控制。
HoVPN和H-VPN比较图
HoVPN和H-VPN比较图

HoVPN或H-VPN的路由发布过程(CE1向CE2发布路由)

如下图所示,HoVPN与H-VPN组网中CE1向CE2发布路由的过程相同。

HoVPN或H-VPN组网中CE1向CE2发布路由的过程示意图
HoVPN或H-VPN组网中CE1向CE2发布路由的过程示意图
其具体过程如下:
  1. CE1通过路由协议发布IPv4路由给UPE。

  2. UPE为IPv4路由申请标签L1,并将IPv4路由转换为VPNv4路由,然后将VPNv4路由和内层私网标签L1发布给SPE,下一跳修改为UPE。

  3. SPE收到带标签的VPNv4路由后,保存标签L1并重新申请标签L2,然后将VPNv4路由和内层私网标签L2发布给NPE,下一跳修改为SPE。

  4. NPE收到带标签的VPNv4路由后,将VPNv4路由转换为IPv4路由,在下一跳可达的情况下将路由引入私网IPv4路由表。同时NPE将保留内层私网标签L2和隧道迭代成功后的Tunnel ID以供后续转发报文时使用。

  5. NPE通过路由协议发布IPv4路由给CE2。

HoVPN路由发布过程(CE2向CE1发布路由)

如下图所示,HoVPN模式的组网中CE2向CE1发布路由的具体过程如下。

HoVPN组网中CE2向CE1发布路由的过程示意图
HoVPN组网中CE2向CE1发布路由的过程示意图
  1. CE2通过路由协议发布IPv4路由给NPE。

  2. NPE为IPv4路由申请内层私网标签L3,将IPv4路由转换为VPNv4路由,将VPNv4路由和内层私网标签L3发布给SPE,下一跳修改为NPE。

  3. SPE收到带标签的VPNv4路由,保存标签L3并将VPNv4路由转换为IPv4路由,在下一跳可达的情况下将IPv4路由引入私网IPv4路由表。

  4. SPE向私网IPv4路由表引入缺省路由或聚合私网路由,并申请标签L4,然后将缺省路由或聚合私网路由转换为VPNv4路由发布给UPE,下一跳修改为SPE。

  5. UPE收到带标签的VPNv4路由后,将VPNv4路由转换为IPv4路由,在下一跳可达的情况下将IPv4路由引入私网IPv4路由表。

  6. UPE通过路由协议发布IPv4路由给CE1。

H-VPN路由发布过程(CE2向CE1发布路由)

如下图所示,H-VPN模式的组网中CE2向CE1发布路由的具体过程如下。

H-VPN组网中CE2向CE1发布路由的过程示意图
H-VPN组网中CE2向CE1发布路由的过程示意图
  1. CE2通过路由协议发布IPv4路由给NPE;

  2. NPE为IPv4路由申请内层私网标签L3,将IPv4路由转换为VPNv4路由,然后将VPNv4路由和内层私网标签L3发布给SPE,下一跳修改为NPE。

  3. SPE收到带标签的VPNv4路由后,保存标签L3并重新申请标签L4,然后将VPNv4路由和内层私网标签L4发布给UPE,下一跳修改为SPE。

  4. UPE收到带标签的VPNv4路由后,将VPNv4路由转换为IPv4路由,在下一跳可达的情况下将IPv4路由引入私网IPv4路由表。

  5. UPE通过路由协议发布IPv4路由给CE1。

HoVPN或H-VPN的报文转发过程(CE2向CE1发送报文)

如下图所示,HoVPN与H-VPN组网中CE2向CE1发送报文的过程相同,其具体过程如下。

HoVPN或H-VPN组网中CE2向CE1发送报文的过程示意图
HoVPN或H-VPN组网中CE2向CE1发送报文的过程示意图
  1. CE2向NPE发送一个VPN报文。

  2. NPE收到报文后,查询私网转发表,通过匹配报文目的地址,查找到用于转发报文的隧道,然后给报文打上内层私网标签L2和外层隧道标签Lu,通过隧道将报文发给SPE,标签栈为L2/Lu;

  3. SPE收到报文后,弹出外层隧道标签Lu,交换内层私网标签为L1,压入隧道标签Lv,沿隧道将报文转发给UPE,标签栈为L1/Lv;

  4. UPE收到报文,弹出外层隧道标签Lv,然后根据内层私网标签L1查找到对应的VPN实例,之后弹出内层私网标签L1,根据报文目的地址在该VPN实例的私网转发表中查找到出接口。UPE将报文从对应出接口发送给CE1。此时报文为纯IP报文。

HoVPN的报文转发过程(CE1向CE2发送报文)

如下图所示,HoVPN组网中CE1向CE2发送报文的过程如下。

HoVPN组网中CE1向CE2发送报文的过程示意图
HoVPN组网中CE1向CE2发送报文的过程示意图
  1. CE1向UPE发送一个VPN报文。

  2. UPE收到报文后,查询私网转发表,通过匹配报文目的地址(匹配缺省路由或聚合路由下发的转发表项),查找到用于转发报文的隧道,然后给报文打上内层私网标签L4和外层隧道标签Lv,通过隧道将报文发给SPE,标签栈为L4/Lv。

  3. SPE收到报文后,弹出外层隧道标签Lv,根据内层私网标签L4找到对应的VPN实例,弹出内层私网标签L4,查询私网转发表,通过匹配报文目的地址,查找到用于转发报文的隧道,然后在报文中打上内层私网标签L3和外层隧道标签Lu,通过隧道将报文发给NPE,标签栈L3/Lu。

  4. NPE收到报文后,弹出外层隧道标签Lu,根据内层私网标签L3找到对应的VPN实例,之后弹出内层私网标签L3,根据报文目的地址在该VPN实例的私网转发表中查找到出接口。NPE将报文从对应出接口发送给CE2。此时报文为纯IP报文。

H-VPN的报文转发过程(CE1向CE2发送报文)

如下图所示,H-VPN组网中CE1向CE2发送报文的过程如下。

H-VPN组网中CE1向CE2发送报文的过程示意图
H-VPN组网中CE1向CE2发送报文的过程示意图
  1. CE1向UPE发送一个VPN报文。

  2. UPE收到报文后,查询私网转发表,通过匹配报文目的地址(UPE从SPE收到的明细路由下发的转发表项),查找到用于转发报文的隧道,然后给报文打上内层私网标签L4和外层隧道标签Lv,通过隧道将报文发给SPE,标签栈为L4/Lv。

  3. SPE收到报文后,弹出外层隧道标签Lv,交换内层私网标签为L3,打上外层隧道标签Lu,沿隧道将报文转发给NPE,标签栈为L3/Lu。

  4. NPE收到报文后,弹出外层隧道标签Lu,根据内层私网标签L3找到对应的VPN实例,之后弹出内层私网标签L3,根据报文目的地址在该VPN实例的私网转发表中查找到出接口。NPE将报文从对应出接口发送给CE2。此时报文为纯IP报文。

HVPN的典型应用场景

在IPRAN网络中,使用HVPN技术构建的无线接入网,具备优秀FMC(Fixed-Mobile Convergence)承载能力和简单灵活的组网形式。

HVPN技术在IPRAN网络中的应用

IPRAN移动承载网具有接入方式丰富,网络规模庞大,业务实现机制灵活等特点。整体架构采用分层方式,从核心层到接入层,对设备的性能要求依次降低,网络规模则依次扩大。HVPN技术在IPRAN网络中广泛使用,通常从汇聚层覆盖到接入层,以实现路由隔离、故障隔离,同时降低对接入层设备的要求。

HVPN采用分层的L3VPN方式,实现故障相互隔离,整网的可靠性和安全性较高。

HVPN技术在IPRAN中的应用组网图
HVPN技术在IPRAN中的应用组网图

在IPRAN网络中,根据网络层级:接入层,汇聚层,核心层,将PE设备划分为UPE、SPE、NPE,其中,UPE对应CSG(Cell Site Gateway,基站侧网关)、SPE对应ASG(Aggregation,汇聚侧网关)、NPE对应RSG(Radio Service Gateway,无线业务侧网关)。

  • CSG(Cell Site Gateway,基站侧网关):在HVPN组网中,CSG将被部署成UPE,用于接入多种业务基站。
  • ASG(Aggregation Site Gateway,汇聚侧网关):在HVPN组网中,ASG将被部署成SPE,用于接入UPE。
  • RSG(Radio Service Gateway,无线业务侧网关):在HVPN组网中,RSG将被部署成NPE,用于接入基站控制器(RNC)。

HVPN承载方案具备大规模动态组网能力,同时能够分担顶端汇聚设备压力。

跨域Seamless MPLS+HVPN在IPRAN网络中的应用

虽然HVPN方案考虑到不同网络层次设备能力不一样,把业务也进行了分层,但是对于业务扩展还是不够灵活。

因而,HVPN方案经常与Seamless MPLS方案一起使用,Seamless MPLS方案可以通过端到端的跨域LSP隧道解决了接入点业务的扩展性问题。跨域Seamless MPLS+HVPN功能不仅可以实现基站和基站控制器间相互通信,而且具备HVPN技术的降低组网成本的优点。

跨域Seamless MPLS+HVPN组网图如下所示。接入层、汇聚层处于AS 100内,核心层网络处于AS 200内,为了提供VPN服务,因此部署跨域Seamless MPLS+HVPN功能。

跨域Seamless MPLS+HVPN组网图
跨域Seamless MPLS+HVPN组网图

在Seamless MPLS + HVPN方案中,以移动承载业务为例,CSG与AGG之间部署HVPN,同时在AGG(Aggregation,汇聚层设备)到MASG(Mobile Aggregate Service Gateway,移动汇聚业务网关)之间部署跨域Seamless MPLS。L3VPN业务在AGG节点处上进行分层。

Seamless MPLS + HVPN组网方案兼具了Seamless MPLS和HVPN两种组网的优势,对于接入网、汇聚网、核心网跨多个域时,任意两个节点间可以使用LSP连通,从而解决业务扩展性问题;同时HVPN方案可以根据网络设备的业务能力要求,定制不同层次的设备容量,从而降低组网成本。

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  • 作者: 黄慧娴
  • 最近更新: 2021-10-09
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