VRF技术白皮书

贾修亮

VRF技术白皮书
1  原理简介
近年来网络VPN技术方兴未艾，日益成为业界关注的焦点。根据VPN实现的技术特点，可以把VPN技术分为以下三类：
传统VPN：FR和ATM
CPE-based VPN：L2TP和IPSec等
Provider Provisioned VPNs ( PP-VPN )：MPLS L2VPN和MPLS L3VPN。
本文介绍的VRF特性是MPLS VPN中经常使用的技术，中文含义为VPN路由转发实例。鉴于VRF与MPLS VPN密切相关，下面首先对MPLS VPN作简要介绍。

图1是一个典型的MPLS L3VPN的组网图，运营商通过自己的IP/MPLS核心网络为BLUE和YELLOW两个客户提供VPN服务。SITE1和SITE3分别为VPN BLUE的两个站点，SITE2和SITE4分别为VPN YELLOW的两个站点。VPN BLUE两个站点内的主机可以互访，但不能访问VPN YELLOW内的主机。同样，VPN YELLOW两个站点内的主机可以互访，但不能访问VPN BLUE内的主机。从而实现了两个VPN间的逻辑划分和安全隔离。
CE设备的作用是把用户网络连接到PE，与PE交互VPN用户路由信息：向PE发布本地路由并从PE学习远端站点路由。
PE作用是向直连的CE学习路由，然后通过IBGP与其他PE交换所学的VPN路由。PE设备负责VPN业务的接入。
P设备是运营商网络中不与CE直接相连的设备，只要支持MPLS转发，并不能感知到VPN的存在。


                                                                                                                                                                                  图1

上面组网中VPN的设计思想是很巧妙的，但存在如下几个问题：
1、    本地路由冲突问题，即：在BLUE和YELLOW两个VPN中可能会使用相同的IP地址段，比如10.1.1.0/24，那么在PE上如何区分这个地址段的路由是属于哪个VPN的。
2、    路由在网络中的传播问题，上述问题会在整个网络中存在。
3、    PE向CE的报文转发问题，当PE接收到一个目的地址在10.1.1.0/24网段内的IP报文时，他如何判断该发给哪个VPN？

针对上述3个问题，分别有以下解决方案：
1、   为了解决本地路由冲突问题，我们引入了VRF的概念：把每台PE路由器在逻辑上划分为多台虚拟路由器，即多个VPN路由转发实例VRF，每个VRF对应一个VPN，有自己独立的路由表、转发表和相应的接口。这就相当于将一台各VPN共享的PE模拟成多台专用PE。这样PE与CE交互的路由信息只是该VPN的路由，从而实现了VPN路由的隔离。由于不同VPN的路由存放在不同的VRF中，所以VPN路由重叠的问题也解决了。

2、    VPN重叠路由在网络中的传播问题，可以在路由传递的过程中为这条路由再添加一个标识，用以区别不同的VPN。正常的BGP4协议只能传递IPv4的路由，由于不同VPN用户具有地址空间重叠的问题，必须修改BGP协议。BGP最大的优点是扩展性好，可以在原来的基础上再定义新的属性，通过对BGP修改，把BGP4扩展成MP-BGP。在MP-IBGP邻居间传递VPN用户路由时打上RD标记等VPN信息，这样CE传来的VPN用户的IPv4路由被PE转换为VPN-IPv4路由，这样就能保证对端PE能够区分开属于不同VPN用户的地址重叠的路由。

3、    PE向CE的报文转发问题，由于IP报文的格式不可更改，没有什么文章可以做，但可以在IP头之外加上一些信息（标签），由始发的VPN打上标记，这样PE在接收报文时可以根据这个标记进行转发。

       每一个VRF可以看作一台虚拟的路由器，好像是一台专用的PE设备。该虚拟路由器包括如下元素：
一张独立的路由表/转发表，当然也包括了独立的地址空间。
一组归属于这个VRF的接口集合。
一组只用于本VRF的路由协议。

对于每个PE，可以维护一个或多个VRF，同时维护一个公网的路由表（也叫全局路由表），多个VRF实例相互分离独立。实现VRF并不困难，关键在于如何在PE上使用特定的策略规则来协调各VRF和全局路由表之间的关系。

在VRF中定义的和VPN业务有关的两个重要参数是RT和RD，RT和RD长度都是64bit。
RT是Route Target的缩写，RT的本质是每个VRF表达自己的路由取舍及喜好的方式，主要用于控制VPN路由的发布和安装策略。分为import和export两种属性，前者表示了我对那些路由感兴趣，而后者表示了我发出的路由的属性。当PE发布路由时，将使用路由所属VRF的RT export规则，直接发送给其他的PE设备。对端PE接收路由时，首先接收所有的路由，并根据每个VRF配置的RT的import规则进行检查，如果与路由中的RT属性match，则将该路由加入到相应的VRF中。以下图为例：
SITE-1：我发的路由是蓝色的，我也只接收蓝色的路由。
SITE-2：我发的路由是黄色的，我也只接收黄色的路由。
SITE-3：我发的路由是蓝色的，我也只接收蓝色的路由。
SITE-4：我发的路由是黄色的，我也只接收黄色的路由。
这样，SITE-1与SITE-3中就只有自己和对方的路由，两者实现了互访。同理SITE-2与SITE-4也一样。这时我们就可以把SITE-1与SITE-3称为VPN BLUE，而把SITE-2与SITE-4称为VPN YELLOW。


                                                                                                                                                                                  图2

RD是Route Distinguisher的缩写，是说明路由属于哪个VPN的标志。理论上可以为每个VRF配置一个RD，通常建议为每个VPN的VRF都配置相同的RD，并且要保证这个RD全球唯一。如果两个VRF中存在相同的地址，但是由于RD不同，这两个路由在PE间发布过程中也不会混淆，因为MP BGP把RD和路由一起发送，对端PE可以根据RD确定路由所属的VPN，从而把路由安装到正确的VRF中。
RD并不会影响不同VRF之间的路由选择以及VPN的形成，这些事情由RT搞定。
PE从CE接收的标准的路由是IPv4路由，如果需要发布给其他的PE路由器，此时需要为这条路由附加一个RD。在IPv4地址加上RD之后，就变成VPN-IPv4地址族了。VPN-IPv4地址仅用于服务供应商网络内部。在PE发布路由时添加，在PE接收路由后放在本地路由表中，用来与后来接收到的路由进行比较。CE不知道使用的是VPN-IPv4地址。

芙蓉落叶

通信技术你问我答 (积分兑奖)

很好的分析！