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VRF的技术原理与配置实例

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。

2                 组网应用
2.1              VRF与MPLS组合应用
下面以图3为例说明MPLS VPN与VRF的典型应用：
组网中两个用户站点SITE1和SITE2属于同一个VPN，在两个PE上分别配置VRF参数，其中VRF SITE1的RD=100:1，import RT =100:3，export RT =100:2，VRF SITE2的RD=100:1，import RT =100:2，export RT =100:3。通过VRF的配置可见：
两个VRF的RD同为100:1，说明他们属于同一个VPN；
VRF SITE1导入和导出的RT分别等于VRF SITE2导出和导入的RT，说明两个VRF分别可以接收对方的VPN站点内的路由；
PE连接CE的接口与VRF绑定，说明该接口是属于对于VRF的资源，其他VRF和公网是看不到的。

PE和CE之间可以运行OSPF、RIP2、EBGP和静态路由。运营商网络要求为MPLS网络，在PE1和PE2之间建立LSP，同时PE1与PE2间通过MP-IBGP来传播VPN路由。BGP和路由协议的相关配置请参考VRP操作手册和命令手册。

                                                                                                                                                                                  图3

VPN SITE1内的一条路由10.10/16被通告到VPN SITE2的过程如下：
PE1从接口S0/0上学习到由CE1通告的10.10.0.0/16的路由，由于S0/0是绑定到VRF的接口，所以PE1把该路由安装到对应VRF的路由表中，并且分配该路由的本地标签，注意该标签是本地唯一的。
然后通过路由重新发布把VRF路由表中的路由重新发布到BGP中，此时通过附加VRF表的RD、RT参数，把正常的IPv4路由变成VPN-IPv4路由，如10.10.0.0/16变成100:1:10.10.0.0/16，同时把export RT值和该路由的本地标签值等信息一起通过MP-IBGP会话通告给PE2。
PE2收到这条VPN-IPv4路由后，先根据RD确定该路由所属的VRF，然后去掉VPN-IPv4路由所带的RD值，使之恢复IPv4路由原貌，并且根据所属VRF配置的导入策略(本地Import RT与收到的export RT是否一致)决定是否在本地VRF中安装此路由。本例中导入策略允许，所以PE2把10.10.0.0/16路由添加到VRF路由表中，同时记录对应的标签。
PE2再通过CE和PE之间的路由协议，把10.10.0.0/16路由通过与VRF绑定的接口S0/1通告出去，CE2学习到这条路由后把该路由添加到路由表中。
同样的道理SITE2内的路由10.11.0.0/16也可以被CE1学到。

下面说明从CE2 Ping 10.10.0.0/16时数据报文的转发过程（假设PE1为该路由分配的标签为10，从PE2到PE1的LSP标签分别为L1、L2）：

                                                                                                                                                                                  图4

首先Ping包从CE2发出，为IPv4报文，在图中用绿色方块标识。
当IP报文到达PE2时，PE2根据目的地址查找VRF的转发表，发现该路由出标签为10，同时该路由下一跳为PE1，而PE1对应的LSP标签为L1，于是PE2给报文分别打上10、L1作为内外层标签，进行MPLS转发。
MPLS报文到达P时，P根据MPLS转发表项把外层标签替换为L2继续转发。
MPLS报文到达PE1时，因为PE1是LSP的终点，所以外层标签被剥掉。PE1根据露出的内层标签10判断出该报文是发往SITE1所属VPN的报文。于是PE1剥掉内层标签向CE1转发IP报文。
CE1收到的是还原后的IP报文，后续处理与正常IP处理流程一样，这里不再赘述。
2.2              VRF lite特性应用
尽管VRF经常与MPLS一起使用，但VRF也可以脱离MPLS单独应用。VRF lite就是典型例子。VRF lite就是在CE设备上支持VRF。
图5所示为典型MPLS VPN组网中用户侧网络，一个企业分支内部的三个部门要求相互隔离，分别通过一台CE连接到PE，形成一个VPN。可见，该分支机构需要三台出口路由器，三条链路与PE连接；同时PE需要为一个企业用户提供三个接口，这将带来端口、链路资源的浪费，直接导致成本与支出的增加。

                                                                                                                                                                                  图5
针对这种情况，我们引入VRF lite特性来解决问题，即在CE上配置VRF特性。具体组网如图6所示：此时企业分支只需要一台CE路由器与PE相连，在CE上配置VRF，CE连接三个部门的接口分别与VRF绑定。同时CE只需要一条物理链路与PE相连，并通过链路的子接口分别与VRF绑定，完成CE与PE上对应VRF的逻辑连接。PE与CE可以在各个VRF中运行动态路由协议完成VPN路由交换。PE上的配置和图5中的一样，需要配置VRF和MP-IBGP。

                                                                                                                                                                                  图6
这种方案的优点有：
只需要一个CE，比多CE情况简化了网络的配置和管理；
PE与CE间只需一条物理链路；
节省了PE端口资源；
允许企业内部不同部门间的地址重叠；

3                 应用场合
VRF特性用于实现VPN的需求，可以与MPLS配合使用，也可以单独组网应用
4                 配置举例
4.1                VRF与MPLS组合应用
图3所示的组网配置如下：
CE1配置：
#
 sysname CE1
# 
domain system
#         
controller T3 3/0
 using t3 
#  
interface Aux0  
 async mode flow
#   
interface Ethernet0/0                         /*连接site1内的网络*/
 ip address 10.10.0.1 255.255.0.0   
#
interface Ethernet0/1
# 
interface Serial3/0/0  
 link-protocol ppp
 ip address 100.10.0.1 255.255.0.0
#   interface NULL0 
#
interface LoopBack9 
 ip address 28.40.1.1 255.255.255.255 
# 
ospf 1 
 import-route direct
 area 0.0.0.0 
  network 100.10.0.0 0.0.255.255
# 
user-interface con 0    
 idle-timeout 0 0
user-interface aux 0
user-interface vty 0 4
#  
return

PE1配置：
#
 sysname PE1
#
 mpls lsr-id 28.40.1.2
#                                              /*公网运行MPLS*/
mpls
#
 mpls ldp
#                                             /*VRF配置*/
ip vpn-instance site1
 route-distinguisher 100:1 
 vpn-target 100:2 export-extcommunity
 vpn-target 100:3 import-extcommunity
#
domain system 
#
controller T3 3/0
 using t3
#
interface Aux0
 async mode flow
#
interface Ethernet0/0              /*连接P的接口*/
 ip address 172.16.32.59 255.255.0.0
 mpls
 mpls ldp enable
#
interface Ethernet0/1
# interface Serial0/0               /*连接CE的接口*/ 
 ip binding vpn-instance site1
 link-protocol ppp
 ip address 100.10.0.2 255.255.0.0  
#
interface NULL0  
# interface LoopBack9
 ip address 28.40.1.2 255.255.255.255
#
bgp 100                                  /*配置MP iBGP*/
 undo synchronization
 group in100 internal 
 peer in100 connect-interface LoopBack9 
 peer 46.80.1.1 group in100       /*46.80.1.1是PE2的loopback口地址*/ 
 #
 ipv4-family vpn-instance blue 
  import-route direct 
  import-route ospf
  undo synchronization
 #   
 ipv4-family vpnv4
  peer in100 enable
  peer 46.80.1.1 group in100 
#  
ospf 1                           /*IP网络上跑OSPF*/ 
 import-route direct   
 area 0.0.0.0  
  network 172.16.0.0 0.0.255.255  
# 
ospf 100 vpn-instance site1      /*VRF中运行OSPF，与CE交换路由*/
 import-route direct
 area 0.0.0.0
  network 100.10.0.0 0.0.255.255
#
user-interface con 0
 idle-timeout 0 0
user-interface aux 0 
user-interface vty 0 4 
#
return

说明：
PE2和CE2的配置与PE1和CE1类似，此处不再列出。
关于BGP和MPLS的配置，请参考操作手册和命令手册

4.2                VRF lite特性应用
图6中各路由器的配置如下
CE的配置：
#                                                                              
 sysname CE                                                               
#                                                                              
ip vpn-instance MRT                                            /*VRF MRT */
 route-distinguisher 100:1                                                     
 vpn-target 100:1 export-extcommunity                                          
 vpn-target 100:1 import-extcommunity                                          
#                                                                              
ip vpn-instance RD                                             /*VRF RD */
 route-distinguisher 200:1                                                     
 vpn-target 200:1 export-extcommunity                                          
 vpn-target 200:1 import-extcommunity                                           
#                                                                              
ip vpn-instance HR                                              /*VRF HR */
 route-distinguisher 300:1                                                      
 vpn-target 300:1 export-extcommunity                                          
 vpn-target 300:1 import-extcommunity                                          
#                                                                               
domain system                                                                  
#                                                                              
local-user admin                                                               
#                                                                               
interface Aux0                                                                 
 async mode flow                                                               
#                                                                               
interface Ethernet0/0
ip address 110.11.0.2 255.255.0.0                        /*连接MRT部门*/
#                                                                              
interface Ethernet0/1                                                          
ip address 110.12.0.2 255.255.0.0                        /*连接RD部门*/
#                                                                              
interface Ethernet2/0                                                          
ip address 110.13.0.2 255.255.0.0                        /*连接HR部门*/
#                                                                              
interface Ethernet2/1                                                          
#                                                                               
interface Ethernet2/1.1                                           /*VRF MRT的子接口*/
 ip binding vpn-instance MRT                                                     
 ip address 11.11.0.2 255.255.0.0                                              
 vlan-type dot1q vid 1                                                         
#                                                                              
interface Ethernet2/1.2                                           /*VRF RD的子接口*/
 ip binding vpn-instance RD                                                     
 ip address 11.12.0.2 255.255.0.0                                              
 vlan-type dot1q vid 2                                                         
#                                                                               
interface Ethernet2/1.3                                             /*VRF HR的子接口*/
 ip binding vpn-instance HR                                                     
 ip address 11.13.0.2 255.255.0.0                                              
 vlan-type dot1q vid 3                                                         
#                                                                              
interface Serial1/0                                                            
 link-protocol ppp                                                              
 ip address ppp-negotiate                                                      
#                                                                              
interface NULL0                                                                 
#                                                                              
ospf 1 vpn-instance MRT                                                /*VRF MRT与PE跑ospf*/
 import-route direct                                                            
 area 0.0.0.0                                                                  
  network 11.11.0.0 0.0.255.255                                                
#                                                                               
ospf 2 vpn-instance RD                                                /* VRF RD与PE跑ospf */
 import-route direct                                                           
 area 0.0.0.0                                                                   
  network 11.12.0.0 0.0.255.255                                                
#                                                                              
ospf 3 vpn-instance HR                                                /* VRF HR与PE跑ospf */
 import-route direct                                                           
 area 0.0.0.0                                                                  
  network 11.13.0.0 0.0.255.255                                                 
#                                                                              
user-interface con 0                                                           
user-interface aux 0                                                           
user-interface vty 0 4                                                         
 authentication-mode scheme                                                    
#                                                                              
return

PE的配置：
#                                                                              
 sysname 2840                                                                  
#                                                                              
 mpls lsr-id 28.40.0.1