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VRF技术详解
VRF技术详解
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-basedVPN：
L2TP和IPSec等
ProviderProvisionedVPNs（PP-VPN）：
MPLSL2VPN和MPLSL3VPN。
本文介绍的VRF特性是MPLSVPN中经常使用的技术，中文含义为VPN路由转发实例。
鉴于VRF与MPLSVPN密切相关，下面首先对MPLSVPN作简要介绍。
图1是一个典型的MPLSL3VPN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VPNBLUE的两个站点，SITE2和SITE4分别为VPNYELLOW的两个站点。
VPNBLUE两个站点内的主机可以互访，但不能访问VPNYELLOW内的主机。
同样，VPNYELLOW两个站点内的主机可以互访，但不能访问VPNBLUE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RouteTarget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RTexport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。
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
VPNSITE1内的一条路由10.10/16被通告到VPNSITE2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exportRT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ImportRT与收到的exportRT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CE2Ping10.10.0.0/16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 VRFlite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。
VRFlite就是典型例子。
VRFlite就是在CE设备上支持VRF。
图5所示为典型MPLSVPN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VRFlite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
4.1VRF与MPLS组合应用
图3所示的组网配置如下：
CE1配置：
#
sysnameCE1
#
domainsystem
#
controllerT33/0
usingt3
#
interfaceAux0
asyncmodeflow
#
interfaceEthernet0/0 /*连接site1内的网络*/
ipaddress10.10.0.1255.255.0.0
#
interfaceEthernet0/1
#
interfaceSerial3/0/0
link-protocolppp
ipaddress100.10.0.1255.255.0.0
# interfaceNULL0
#
interfaceLoopBack9
ipaddress28.40.1.1255.255.255.255
#
ospf1
import-routedirect
area0.0.0.0
network100.10.0.00.0.255.255
#
user-interfacecon0
idle-timeout00
user-interfaceaux0
user-interfacevty04
#
return
PE1配置：
#
sysnamePE1
#
mplslsr-id28.40.1.2
# /*公网运行MPLS*/
mpls
#
mplsldp
# /*VRF配置*/
ipvpn-instancesite1
route-distinguisher100:
1
vpn-target100:
2export-extcommunity
vpn-target100:
3import-extcommunity
#
domainsystem
#
controllerT33/0
usingt3
#
interfaceAux0
asyncmodeflow
#
interfaceEthernet0/0 /*连接P的接口*/
ipaddress172.16.32.59255.255.0.0
mpls
mplsldpenable
#
interfaceEthernet0/1
#interfaceSerial0/0 /*连接CE的接口*/
ipbindingvpn-instancesite1
link-protocolppp
ipaddress100.10.0.2255.255.0.0
#
interfaceNULL0
#interfaceLoopBack9
ipaddress28.40.1.2255.255.255.255
#
bgp100 /*配置MPiBGP*/
undosynchronization
groupin100internal
peerin100connect-interfaceLoopBack9
peer46.80.1.1groupin100 /*46.80.1.1是PE2的loopback口地址*/
#
ipv4-familyvpn-instanceblue
import-routedirect
import-routeospf
undosynchronization
#
ipv4-familyvpnv4
peerin100enable
peer46.80.1.1groupin100
#
ospf1 /*IP网络上跑OSPF*/
import-routedirect
area0.0.0.0
network172.16.0.00.0.255.255
#
ospf100vpn-instancesite1 /*VRF中运行OSPF，与CE交换路由*/
import-routedirect
area0.0.0.0
network100.10.0.00.0.255.255
#
user-interfacecon0
idle-timeout00
user-interfaceaux0
user-interfacevty04
#
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
4.2VRFlite特性应用
图6中各路由器的配置如下
CE的配置：
#
sysnameCE
#
ipvpn-instanceMRT /*VRFMRT*/
route-distinguisher100:
1
vpn-target100:
1export-extcommunity
vpn-target100:
1import-extcommunity
#
ipvpn-instanceRD /*VRFRD*/
route-distinguisher200:
1
vpn-target200:
1export-extcommunity
vpn-target200:
1import-extcommunity
#
ipvpn-instanceHR /*VRFHR*/
route-distinguisher300:
1
vpn-target300:
1export-extcommunity
vpn-target300:
1import-extcommunity
#
domainsystem
#
local-useradmin
#
interfaceAux0
asyncmodeflow
#
interfaceEthernet0/0
ipaddress110.11.0.2255.255.0.0 /*连接MRT部门*/
#
interfaceEthernet0/1
ipaddress110.12.0.2255.255.0.0 /*连接RD部门*/
#
interfaceEthernet2/0
ipaddress110.13.0.2255.255.0.0 /*连接HR部门*/
#
interfaceEthernet2/1
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