BGP／VPN快速收敛技术白皮书.doc

BGP/VPN快速收敛技术白皮书

华为技术有限公司
Huawei Technologies Co., Ltd.

BGP/VPN快速收敛技术白皮书

目 录
1 前言 1
2 技术简介 2
3 关键技术 4
3.1 P设备IGP/LSP更新 4
3.2 VPN按需迭代 5
3.3 VPN按照优选级的按需迭代 5
3.4 VPN下一跳分离 6
3.5 VPN FRR 7
3.6 BGP/VPN快速收敛技术总结 8
4 典型应用 9
5 结束语 10
附录A 参考资料 11
附录B 缩略语 11

Copyright ©2007 华为技术有限公司 版权所有，侵权必究
i

Copyright ©2007 华为技术有限公司 版权所有，侵权必究
11

BGP/VPN快速收敛技术白皮书

摘 要：作为多业务的承载网络，IP/MPLS VPN技术已经成为当前IP/MPLS网络中的基础技术特性。在一个MPLS VPN网络中，业务路由是通过BGP技术来承载的，当前网络中发生链路或者节点故障后，不但需要公网路由进行收敛，同时BGP私网路由也需要重新迭代或者收敛，本文主要描述了BGP/VPN快速收敛的一些技术和方法。
关键词：MPLS，MPLS VPN，BGP/VPN快速收敛

1 前言
随着IP技术自己本身的发展，IP技术在NGN、IPTV等业务承载领域的应用，以及运营商对于IP技术的了解和熟悉，IP网络也正在从一个单纯的Internet、数据业务承载网络，逐步成为一个数据、语音、视频、企业专线/虚拟私有网络的多业务承载网络。

图1 IP/MPLS VPN组网示意图
当然这个转变的过程也对IP网络自己本身提出了越来越高的要求，其中网络可靠性是当前运营商最为关注和重视的一个方向。在一个IP/MPLS VPN多业务承载网络中，当网络的PE-P链路、P-P链路、P设备、PE设备发生故障后，首先需要进行公网路由和LSP的收敛，除此之外私网路由，即BGP/VPN路由还需要重新迭代，这个迭代的时间和迭代的方法以及私网路由的数目都有非常大的关系。本文将主要描述这些不同故障点情况下，可以使用的一些技术，以此来加快VPN业务的收敛速度。
注：对于使用RSVP-TE的情况和上面所说的情况不太一样，如果PE-PE端到端部署RSVP-TE，则只有PE故障，才需要重新进行BGP/VPN路由的重新选择和迭代；其他故障情况下，RSVP-TE可以通过TE FRR等技术进行保护，不会涉及BGP/VPN路由的迭代和收敛。
2 技术简介
在一个MPLS/VPN网络中，如下图2所示，通常在两个PE之间建立IBGP邻居，用来交换VPN私网路由，此私网路由的下一跳为PE设备；另外，还需要在物理直连的PE-P、P-P之间建立IGP/LDP邻居，从而建立外层隧道。而最终VPN路由转发表项，则需要将VPN BGP路由的远端下一跳和IGP/LDP外层隧道进行迭代，生成最终的VPN FIB表项，以此来指导PE设备上VPN业务的转发。其中路由的迭代如图3所示。

图2 MPLS VPN网络中公网IGP/LDP邻居以及私网VPN/IBGP邻居示意图
VPN FIB转发表
两个表迭代
VPN BGP路由表
BGP前缀1
IGP/LSP表
BGP前缀2
BGP前缀3
直连下一跳1
远端下一跳2
远端下一跳2
公网前缀1
远端下一跳1
外层标签1
公网前缀2
直连下一跳2
外层标签2
BGP前缀1
直连下一跳1
外层标签1
BGP前缀2
直连下一跳2
外层标签2
BGP前缀3
直连下一跳2
外层标签2

图3 VPN转发表项的迭代过程示意图
当MPLS/VPN网络中发生各种故障后，首先进行公网IGP/LDP路由的收敛，这个收敛在使用IGP/LDP快速收敛技术后，通常可以达到200ms-800ms左右的收敛速度。IGP/LDP收敛之后，新的外层隧道生成，同时原先旧的外层隧道删除，此时所有的BGP/VPN路由需要重新迭代一次，迭代到新的外层隧道后，下发到转发平面，此时VPN业务才能最终收敛。这个收敛迭代时间和VPN的路由数目成正比关系。在VPN路由数目比较多的情况下，通常需要几秒甚至几十秒钟才能完成。
这个迭代时间对于MPLS/VPN网络上的实时语音、视频等业务来说，明显太长了，为了加快这收敛时间，涌现出了一系列的技术，包括P设备IGP/LSP更新、VPN按需迭代、VPN按优先级的按需迭代、VPN下一跳分离、VPN FRR等各种技术。下面我们就这些技术分别详细的解释和说明一下。
3 关键技术
3.1 P设备IGP/LSP更新
在MPLS/VPN网络中，当P-P链路发生故障时，如下图4所示。由于先向PE发送了一个LSP撤销消息，然后再发送新的更新的LSP。这样的过程导致了PE设备公网LSP隧道变化，所以必然要进行一次VPN路由迭代。

图4 P设备间链路故障引发的PE设备VPN重新迭代示意图
新的P设备IGP/LSP更新技术解决了这个问题。方法如图5所示。在P1设备上，由于使用了IGP/LSP更新技术，IGP/LDP收敛均使用收敛后的新路由直接替换原先的老路由，所以不再向上游的PE设备发送LSP删除以及更新消息，上游的PE设备没有收到影响，所以无需进行VPN路由迭代，这样当P1设备上完成IGP/LDP收敛之后，VPN业务即完成收敛。这样在P-P链路故障，或者P设备故障（不引发PE-P链路故障）的情况，VPN业务端到端收敛时间完全取决于公网IGP/LDP收敛速度，而这个时间通常是200ms-800ms。

图5 P设备LSP更新技术示意图
3.2 VPN按需迭代
当PE-P链路发生故障后（包括PE设备故障，以及P设备故障引发的PE-P链路故障），由于去往远端PE的LSP发生了故障，所以本地VPN路由需要重新迭代，但并不是所有本地VPN路由都需要迭代，以图1中为例，假设PE2-P2链路发生故障，此时PE2至PE1、PE5、PE6的外层隧道没有任何变化，而PE至PE3、PE4的外层隧道则需要重新计算，生成新的LSP。
针对这种情况出现了VPN按需迭代技术，此技术如下图6所示。将所有的BGP/VPN路由按照不同的远端下一跳（即不同的PE）分别建立不同的队列，当公网隧道发生变化的时候，只需要对发生变化的外层隧道的BGP/VPN路由进行迭代即可，其他不受影响的VPN路由则无需迭代，这样往往可以节省大量的时间，从而加快网络收敛速度。
以PE1为远端下一跳的所有VPN路由队列
以PE2为远端下一跳的所有VPN路由队列
BGP路由11
BGP路由12
BGP路由13
BGP路由14
Head1
…….
BGP路由11
BGP路由12
BGP路由13
BGP路由14
Head2
…….
以PEx为远端下一跳的所有VPN路由队列
…….
Headx

图6 VPN按需迭代示意图
3.3 VPN按照优选级的按需迭代
在多业务MPLS/VPN承载网络中，通常会有很多VPN，这些VPN业务有实时类业务，也有非实时类业务，所以它们的收敛速度和要求是有所区别的。针对这种情况，VPN按照优先级的按需迭代功能则能很好的适应和满足这种需求。
如下图7所示，将已经按照远端下一跳分不同队列之后，将原先的每个队列按照用户的配置，将不同VPN的路由分别放到高、低两个队列中。当公网隧道故障，需要重新迭代的时候，首先迭代需要迭代的高优选级VPN路由，然后再迭代低优先级的VPN路由（类似PQ调度）。通过这样的处理，可以从大量的VPN路由中将部分高优先级VPN路由分离出来，从而大大减少高优先级VPN业务的收敛时间。
以PE1为远端下一跳的所有VPN路由队列
以PE2为远端下一跳的所有VPN路由队列
BGP路由11
BGP路由12
高优先级队列
…….
以PEx为远端下一跳的所有VPN路由队列
…….
Headx
BGP路由21
BGP路由22
BGP路由23
BGP路由24
…….
低优先级队列
Head11
Head12
BGP路由31
BGP路由32
高优先级队列
…….
BGP路由41
BGP路由42
BGP路由43
BGP路由54
…….
低优先级队列
Head21
Head22

图7 VPN按优选级的按需迭代示意图
3.4 VPN下一跳分离
不论是按需迭代，还是按优先级迭代，其本质是迭代过程的一个优化。那么有没有办法将迭代过程完全不做呢？答案是肯定的，那就是VPN下一跳分离技术。
VPN下一跳分离技术的实现原理如下图8所示。在转发平面，将VPN路由转发表按照VPN路由的远端下一跳做分离，将原先的一个VPN路由表分离成两张表，首先查找VPN路由表，查找出远端下一跳，然后再通过远端下一跳查出直连下一跳。当公网发生故障后，公网IGP/LDP收敛，针对每个远端下一跳，直接将原先老的LSP1删除，替换为新的LSP2，这样所有的VPN都会按照新的LSP2进行转发。这样VPN路由不再需要迭代，当IGP/LSP收敛后VPN路由可以立即收敛，即使得VPN路由的收敛速度提升到IGP/LSP收敛的级别上来。
VPN路由1
VPN路由2
VPN路由3
远端下一跳1
直连下一跳1
直连下一跳2
LSP隧道1
LSP隧道2

图8 VPN下一跳分离示意图
VPN下一跳分离技术可以很好的解决PE-P链路、P-P链路、以及P设备故障，但对于PE故障则无能为力了。对于PE设备故障，VPN FRR则可以很好的解决。
3.5 VPN FRR
VPN FRR技术实现原理如下：对于同一个VPN路由前缀在转发平面同时安装了主用路由和备用路由，同时使用快速检测机制检测主用路由外层隧道状态。一旦检测到某个外层隧道失效，则直接使用备用路由进行报文转发。由于备用路由已经安装在转发表中，所以VPN路由的收敛时间主要取决与外层隧道状态的检测时间。详细的说明可以参考《VPN FRR技术白皮书》。
其中对于外层隧道状态检测技术的不同，VPN FRR又可以分为BFD触发的VPN FRR和IGP触发的VPN FRR。其中BFD触发的VPN FRR技术，使用BFD进行外层隧道状态检测，这种方法的优点是检测速度比较快，通常可以做到200ms-500ms，不足点在于，需要整网配置多跳BFD；IGP触发的VPN FRR技术中，当网络发生故障后，IGP/LDP重新收敛，收敛之后即可得知原先的外层隧道失效，此时即可将转发平面中的外层隧道状态置为无效，触发VPN路由切换到备用路由上去。因此IGP触发的VPN FRR收敛时间为公网IGP/LDP收敛的时间。 IGP触发的VPN FRR技术中，充分利用了IGP/LDP快速收敛技术，VPN FRR只是一个本地PE的处理，对网络没有其他协议和互通要求；不过相对BFD触发的VPN FRR技术其收敛速度要慢一些。
VPN FRR技术对组网有一定的要求，首先需要远端CE双归两个PE，同时要求本地PE上要同时存在去往两个PE的VPN路由。只有这两个条件具备了，才能部署VPN FRR。
VPN FRR技术除了可以用来进行PE节点故障保护之外，同时也可以进行PE-P链路、P-P链路、以及P设备故障保护。其原理如下图10所示。假设在PE1上部署VPN FRR，其中主用外层隧道为LSP1（去往主用PE3），备用隧道为LSP2（去往备用PE4）。当P1和P2之间链路故障后，检测到LSP1故障，触发VPN FRR切换，流量切换到LSP2上。此后VPN重新迭代，重新迭代生成主用LSP3、备用LSP2的新的VPN路由，流量重新切回到LSP3上来。其中从LSP1切换到 LSP2是一个VPN FRR切换过程，而LSP2切回到LSP3是一个路由更新不会造成丢包。因此VPN FRR技术完全可以做到端到端的VPN业务的保护。

图9 VPN FRR端到端保护示意图
3.6 BGP/VPN快速收敛技术总结
上文分别对各种BGP/VPN快速收敛技术做了详细的说明和解释，下面用一个表格，将这些技术使用的场景、需要的收敛时间，以及需要的网络拓扑做一个综合比较。
表1 BGP/VPN快速收敛比较表

PE-P链路故障(包括P设备故障引发的PE-P链路故障)
P-P链路故障(包括P设备故障引发的P-P链路故障)
PE节点故障
收敛时间
说明
P设备IGP/LDP更新
不支持
支持
不支持
公网IGP/LDP收敛时间

VPN按需迭代
支持
支持
支持
公网IGP/LDP收敛时间+需要迭代的VPN路由迭代时间

VPN按照优先级的按需迭代
支持
支持
支持
公网IGP/LDP收敛时间+需要迭代的高优先级VPN路由迭代时间

VPN下一跳分离
支持
支持
不支持
公网IGP/LDP收敛时间

IGP触发的VPN FRR
支持
支持
支持
公网IGP/LDP收敛时间
远端CE需要双归两个PE，而且本地PE需要有到两个PE的路由
BFD触发的VPN FRR
支持
支持
支持
BFD检测时间，通常为200ms-500ms
远端CE需要双归两个PE，而且本地PE需要有到两个PE的路由
4 典型应用
4.1 按优先级按需迭代应用示例
如下图所示，在一个城域网络中，部署MPLS VPN，其中有NGN VPN以及Internet VPN。其中NGN业务对实时性要求比较高，需要快速收敛；而Internet VPN对于收敛速度则相对低一些。具有这样的组网情况，可以部署按优先级的按需迭代技术，将NGN VPN配置高优先级迭代；将Internet VPN配置为低优先级迭代。这样当网络中发生节点或者链路故障后，NGN路由首先迭代，充分保证NGN业务的收敛速度；而Internet VPN后迭代，所有业务收到的影响时间相对长一些。

图10 VPN按照优先级的按需收敛应用示例
4.2 VPN FRR应用示例
如下所示，网络包括核心层、汇聚层和接入层，其中汇聚层包括一级PE，需要接入省级的一级CE业务，业务重要性比较高，同时一级PE数量比较少，在几十台的数量；而接入层则主要由二级PE组成，接入地市级的二级CE业务，重要性相对降低，同时二级PE的数量相对较多，在几百台数量。
由于各级CE都是双归到PE中，对于这样的组网，可以在整网部署VPN FRR，进行端到端业务保护。其中一级PE上部署BFD触发的VPN FRR，保证200ms-500ms的保护能力；而二级PE上部署IGP触发的VPN FRR，保证端到端亚秒级的保护能力。
核心层
汇聚层
二级PE
一级CE
汇聚层
二级PE
一级PE
一级PE
二级PE
二级PE
一级CE
二级CE
二级CE
二级CE
二级CE

5 结束语
MPLS VPN作为多业务承载网络的基础，其中BGP/VPN路由的收敛速度当前已经成为端到端业务收敛的瓶颈，而一系列BGP/VPN快速收敛技术的提供必然会大大提高业务保护能力，提高网络的可靠性。使MPLS VPN网络成为语音、视频、数据业务的可靠、高效、易扩展的多业务承载网络。

附录A 参考资料
1) 《VPN FRR技术白皮书》，华为公司
附录B 缩略语
英文缩写
英文全称
中文解释
BGP
Border Gateway Protocol
边界网关协议
CE
Customer Edge
用户边缘
FRR
Fast-ReRoute
快速重路由
IGP
Interior Gateway Protocol
内部网关协议
IP
Internet Protocol
网间网协议
LDP
Label Distribution Protocol
标签分发协议
LSP
Label Switched Path
标签交换路径
MPLS
Multiprotocol Label Switching
多协议标签交换
NGN
Next Generation Network
下一代网络
P
Provider
运营商（设备）
PE
Provider Edge
运营商边缘
VPN
Virtual private network
虚拟私有网