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QinQ技术白皮书

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1 2



前言............................................................................................................................ 1 技术介绍 .................................................................................................................... 1 2.1 2.2 QinQ报文格式 ................................................................................................. 2 QinQ封装......................................................................................................... 2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 基于端口的QinQ封装 ............................................................................ 2 基于流的QinQ封装................................................................................ 2 在路由子接口上进行QinQ封装.............................................................. 3

QinQ终结......................................................................................................... 4 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 终结子接口作为用户的网关设备 ........................................................... 4 QinQ和核心网MPLS/BGP三层VPN对接............................................... 6 QinQ终结子接口支持用户主备机制....................................................... 6 QinQ和核心网VLL/PWE3对接 .............................................................. 8 QinQ和核心网VPLS对接 ...................................................................... 8

2.4

QinQ报文转发流程 ........................................................................................ 10 2.4.1 2.4.2 全程采用QinQ技术.............................................................................. 11 QinQ终结于核心网边缘 ...................................................................... 11

3

典型应用 .................................................................................................................. 12 3.1 3.2 ME网络中公众用户业务对QinQ的使用 .......................................................... 12 企业用户专线互连 ......................................................................................... 13

4

结束语 ...................................................................................................................... 13

附录A 参考资料 .............................................................................................................. 14 附录B 缩略语.................................................................................................................. 14

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摘 要:QinQ是在802.1Q VLAN的基础上又增加了一层VLAN标签,它拓展了VLAN空间,为了
适应城域以太网的发展,QinQ封装、终结的方式也越来越丰富,在运营商的业务精细 化运营方面得到了越来越深入的应用,本文对QinQ技术进行全方位的阐述。

关键词:QinQ,灵活QinQ,QinQ Stacking子接口,QinQ Termination子接口,VLL VPLS,
PWE3

1 前言
随着以太网技术在运营商网络中的大量部署(即城域以太网),利用802.1Q VLAN对 用户进行隔离和标识受到很大限制,因为IEEE802.1Q中定义的VLAN tag域只有12个比特, 仅能表示4K个VLAN,这对于城域以太网中需要标识的大量用户捉襟见肘,于是QinQ技术 应运而生。 QinQ最初主要是为拓展VLAN的数量空间而产生的,它是在原有的802.1Q报文的基础 上又增加一层802.1Q标签实现,使VLAN数量增加到4K*4K,随着城域以太网的发展以及运 营商精细化运作的要求,QinQ的双层标签又有了进一步的使用场景,它的内外层标签可以 代表不同的信息,如内层标签代表用户,外层标签代表业务,另外,QinQ报文带着两层tag 穿越运营商网络,内层tag透明传送,也是一种简单、实用的VPN技术,因此它又可以作为 核心MPLS VPN在城域以太网VPN的延伸,最终形成端到端的VPN技术。 下文对相关内容进行逐一介绍。

2 技术介绍
掌握QinQ技术,需要了解几个方面,既有最基础的QinQ报文格式,也包括QinQ不同的 封装及终结方法,最后可以整体了解一下QinQ报文的转发流程。

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2.1

QinQ 报文格式
802.1Q Encapsulation DA 6 Bytes SA 6 Bytes ETYPE 2 Bytes TAG 2 Bytes LEN/ETYPE 2 Bytes DATA 0 Byte~1500 Bytes FCS 4 Bytes

Q-in-Q Encapsulation DA 6 Bytes SA 6 Bytes ETYPE TAG 2 Bytes 2 Bytes ETYPE TAG 2 Bytes 2 Bytes LEN/ETYPE 2 Bytes DATA FCS 0 Byte~1500 Bytes 4 Bytes

0x8100

Priority

CFI

VLAN ID

QinQ报文有固定的格式,就是在802.1Q的标签之上再打一层802.1Q标签,QinQ报文 比正常的802.1Q报文多四个字节。 另外,对于QinQ报文的ETYPE值,不同的厂家有不同的设置,华为公司采用默认的0x 8100, 有些厂家采用0x9100, 为了实现互通, 华为公司设备支持基于端口的QinQ协议配置, 即用户可以在设备端口上设置QinQ protocol 0x9100(该值可以由用户任意指定),这样 端口就会将报文外层VLAN tag中的ETYPE值替换为0x9100再进行发送,从而使发送到其 他设备端口的QinQ报文可以被设备识别。

2.2

QinQ 封装
QinQ封装是指如何把单层Q报文转换为双层Q报文, 封装主要发生在城域网面向用户的

UPE设备,一般在交换式的端口上进行,根据不同的封装依据,QinQ可以分为几种不同类 型,包括基于端口的QinQ和基于流的QinQ两大类,另外,还可以在路由子接口上进行的特 殊QinQ封装,具体如下:

2.2.1 基于端口的 QinQ 封装
基于端口的封装指进入一个端口的所有流量全部封装一个外层VLAN TAG,封装方式 较为呆板。

2.2.2 基于流的 QinQ 封装
基于流的QinQ封装可以对进入端口的数据首先进行流分类,然后对于不同的数据流选 择是否打外层TAG,打何种外层TAG,因此也叫灵活QinQ,灵活QinQ根据流分类的方法又

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可细分如下: 1) 根据报文中的VLAN ID区间分流

当同一用户的不同业务使用不同的VLAN ID时,可以根据VLAN ID区间进行分流,比 如PC上网的VLAN ID范围是101~200,IPTV的VLAN ID范围是201~300,大客户的VLA N范围是301~400,面向用户的设备收到用户数据后,根据VLAN ID范围,对PC上网业务 打上100的外层标签,对IPTV打上300的外层标签,对大客户打上500的外层标签。 2) 根据报文中的VLAN ID+Priority进行分流

不同的业务有不同的优先级,当同一用户的多种业务使用相同的VLAN ID时,可以根 据不同业务的Priority进行区分,然后打上不同的外层标签。 3) 根据目的IP进行QinQ封装

当同一台PC既包括上网业务,又包括语音业务时,不同业务的目的IP不同,可以利用A CL对目的IP进行分流,然后打上不同的外层标签。 4) 根据ETYPE进行QinQ封装

当同一用户既包括PPPOE的上网业务,又包括IPOE的IPTV业务时,可以根据ETYPE 进行数据分流,IPOE的协议号为0x0800,PPPOE的协议号为0x8863/8864,这样,上网业 务和IPTV业务就能打上不同的外层标签。

2.2.3 在路由子接口上进行 QinQ 封装
QinQ封装一般在交换式端口上直接进行,但有一种特殊情况例外,QinQ也可以在路由 子接口上进行封装。 当核心网采用VLL/PWE3透传用户数据时,NPE设备上的路由子接口可以根据用户VL AN ID封装外层VLAN, 通过外层VLAN接入VLL/PWE3。 此种方法可以通过一个子接口来透 传多个标识用户的VLAN ID。这种子接口也叫QinQ Stacking子接口。 这种封装方式也是基于流的QinQ封装方式,但QinQ Stacking子接口只能和L2VPN(P WE3/VLL/VPLS)结合起来才有意义,不支持三层转发功能。

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2.3

QinQ 终结
终结主要是指对QinQ报文的双层tag进行识别,然后根据后续的转发行为对双层Q进行

剥离或继续传送,QinQ技术在和核心网对接时,根据不同的情况,会用到不同的终结方法。 在核心网边缘,QinQ终结一般在路由子接口上执行,即QinQ Termination子接口,Qi nQ终结子接口和普通的VLAN子接口类似,普通VLAN子接口对单层VLAN进行识别和终结, QinQ终结子接口对双层VLAN进行识别和终结, QinQ终结子接口根据终结的用户VLAN tag 情况通常分为两种: 一种为两层VLAN tag为固定的值,我们把它叫做明确的QinQ终结子接口。 例如:Ethernet 1/0/1.1> QinQ termination pe-vid 100 ce-vid 200 另一种两层VLAN tag为范围值,即终结的VLAN TAG内外层TAG都为范围,我们 称为模糊的QinQ终结子接口 例如:Ethernet1/0/1.2> QinQ termination pe-vid 200 ce-vid 300 to 400 Ethernet1/0/1.2> QinQ termination pe-vid 201 ce-vid 300 to 400 QinQ终结子接口具体的实现方法、功能和具体的应用场景有一定关系,下文根据不同 的场景进行说明。

2.3.1 终结子接口作为用户的网关设备
当终结子接口作为用户的网关设备时,可以实现的功能及方法如下: 支持IP转发 核心网边缘NPE设备作为用户的网关时,QinQ终结子接口支持IP转发。 首先,QinQ终结子接口对双层VLAN进行识别,在生成的用户ARP表项中包括IP地址、 MAC地址及双层VLAN信息。 对于上行的数据流,终结子接口剥掉MAC信息和双层VLAN信息,根据数据的目的IP地 址查找路由表进行三层转发。 对于下行的数据流,根据ARP表项信息,对IP报文进行MAC地址及双层VLAN封装,到 达最终用户。
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支持ARP代理 QinQ终结子接口支持ARP代理, 可以实现不同VLAN内的用户二层互通, 具体实现如下: 所有用户共用相同的IP网段,不同用户拥有不同的VLAN ID,用户报文通过QinQ封装, 终结于一个子接口,当用户之间需要通信时,首先对目的IP进行判断。如果是其他网段的, 会对网关地址发起ARP请求,并最终通过网关进行三层转发;如果是同一网段的,直接发 送目的IP的ARP解析,但由于用户处于不同的VLAN,ARP无法广播到达最终用户,此时, 在QinQ终结子接口上启用ARP代理功能,可以打通ARP报文的广播路径,最终保证不同VL AN的用户在二层互通。 支持DHCP SERVER功能 QinQ终结子接口支持DHCP SERVER功能,可以为该子接口终结的所有QinQ用户分 配IP地址。 支持DHCP RELAY功能 QinQ终结子接口支持DHCP RELAY功能,转发用户DHCP请求,为用户分配IP地址, 同时,DHCP RELAY配合DHCP Snooping,生成DHCP绑定表,可以防止非法用户攻击, 具体实现过程如下: a) b) 在设备上启用DHCP RELAY和DHCP SNOOPING功能。 DHCP request报文进入DHCP RELAY时,被DHCP SNOOPING捕获,并把两层 tag信息插入DHCP request的option82字段,然后继续转发到DHCP SERVER; c) 当DHCP RELAY设备收到reply报文(ACK),DHCP SNOOPING对它进行解析, 记录用户IP地址、MAC地址。 d) 根据以上的结果在子接口上生成DHCP绑定表,包括IP地址、MAC地址,QinQ的双 层TAG信息等; e) 转发引擎通过绑定表信息,检查该端口接收到的IP报文和ARP报文的合法性,对非 法报文进行过滤。

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2.3.2 QinQ 和核心网 MPLS/BGP 三层 VPN 对接
企业用户通过VPN互连,当核心网采用MPLS/BGP三层VPN时,在ME网络可以采用Qi nQ并在PE设备的一个子接口终结,终结子接口和某个VRF绑定,最终形成端到端的VPN, 在此情况下,QinQ终结子接口支持如下功能: 支持IP转发 和2.3.1中的IP转发类似。 支持单播路由协议 核心网采用正常的MBGP传递用户私网路由信息。 PE和CE之间采用IGP传递路由信息,由于PE上采用的是QinQ终结子接口,路由协议 报文的传递稍有区别,上行协议报文通过QinQ封装,在NPE设备子接口终结并进行处理, 下行协议报文通过ARP表项打上双层TAG标签到达CE设备处理, 最终完成路由信息的交换。 QinQ终结子接口支持BGP、OSPF、ISIS、RIP等。

2.3.3 QinQ 终结子接口支持用户主备机制
VRRP是一种冗余备份协议,保证主机的下一跳路由器出现故障时,可以及时由另一台 路由器来替代,从而保证网络通信的连续性和可靠性,QinQ终结子接口支持VRRP协议。

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如上图所示,Switch1启用灵活QinQ功能,对内层VLAN ID范围为100-200的用户数据 报文全部打上外层VLAN ID1000, 此QinQ报文分别终结于Router1和Router2上的一个子接 口,在一个明确两层tag(比如1000/100)内建立一个VRRP实例,则该VRRP实例不仅对1 000/100的QinQ数据有效,而且对于在该子接口上终结的所有QinQ报文有效,具体实现原 理分析如下: 首先,我们把VRRP协议抽象一下,主要包括三个功能: 维护VRRP路由器主备状态; 响应用户的ARP请求; 刷新连接用户二层交换机的MAC表项; 在QinQ Termination子接口启用VRRP时,实现上述三个功能的情况如下: 通过一个明确双层tag1000/100上的VRRP维护两端VRRP路由器的主备状态, 不需 要特殊处理。 对于用户的ARP请求,ARP模块响应ARP请求不只根据用户配置VRRP时的两层ta g,即不仅响应双层tag 1000/100的ARP请求,而且响应外层标签为1000,内层标 签为101-200的所有双层TAG的ARP请求以及该子接口上终结的其他QinQ报文的
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ARP请求。 采用定时发送免费ARP的方式来刷新L2交换机的MAC表项;针对终结子接口上所 有两层tag都复制一份免费ARP,保证L2交换机所有的VLAN空间都学习到虚MAC, 考虑到性能,可以只在状态切换的时候提高发送免费ARP的频率,状态稳定期间, 发送免费ARP的频率可以适当减小,只要大于二层交换机的MAC老化时间即可。
说明:如果不发送免费ARP,可以通过用户发送ARP请求的方式,由虚拟路由器的ARP应答来刷新L2 交换机的MAC。 但是, 因为用户的ARP表项老化的一般比较慢, 这样会导致网络上出现很多的广播流量 (M AC表查找失败) 而且回程数据报文也不能让L2交换机学习虚拟MAC , (此时学习的是路由器真实的MAC) , 要想刷新L2交换机上的虚拟MAC表项,只能等待用户的ARP老化。

在QinQ终结子接口上启用VRRP,具有如下优点: 对于同一网段的QinQ用户,即使VLAN tag不一致,也可以只建立一个VRRP实例, 节省了宝贵的VRRP资源; 节省了宝贵的路由器硬件资源; 减少了IP地址的浪费,增加了接入用户的数目。

2.3.4 QinQ 和核心网 VLL/PWE3 对接
QinQ终结子接口上配置接入PWE3/VLL,通过配置的两层VLAN TAG范围,接入该VL AN tag范围的用户,将用户携带的两层VLAN tag的数据作为二层数据,透传到远端,通常 远端的是一个BRAS设备,透传两层VLAN tag到远端是用于BRAS进行识别和验证用户。

说明:QinQ Termination子接口和Stacking子接口都可以和核心网的L2VPN对接,但有明显的区别: QinQ Termination子接口根据配置的双层vlan tag范围对符合要求的用户数据进行终结,此时收 到的用户数据已经是两层vlan tag。 QinQ Stacking子接口根据配置的单层vlan tag范围对符合要求的用户数据增加外层VLAN tag, 此时收到的用户数据只有一层tag。

2.3.5 QinQ 和核心网 VPLS 对接
当核心网采用VPLS技术时,QinQ通过对称或非对称方式接入VPLS。
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VPLS(Virtual Private LAN Service)协议约定:一条VC链路只允许将用户分布在不 同地点的两个VLAN连接起来,如果用户需要连接分布于异地的多个VLAN,则需要多条VC 连接。由于QinQ子接口支持VLAN范围,通过QinQ终结子接口支持VPLS只需一条VC链路 将两个QinQ VLAN范围连接起来,用户所有VLAN的流量都从该VC链路通过,从而大大地 节省了公网的VC资源。 VPLS转发通过MAC地址学习,所以只要MAC地址学习支持两层VLAN tag学习机制, 就可以支持QinQ终结子接口的VPLS多方互通。 QinQ用户接入VPLS,按照用户的不同需求,可以对接入方式进行区分,包括对称和不 对称方式。 对称 QinQ用户希望以对称的方式接入VPLS,在用户VLAN(内层tag)内实现隔离,

如上图所示,在对称方式下,PE1设备收到带有两层tag的用户数据报文后,会把内层t ag作为用户的tag,MAC地址学习只针对外层tag。用户内层tag会被透明传输到PE2。这样

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可以完成用户VLAN的隔离。即PE1下面的VLAN100只能和PE2下的VLAN100进行通信。 非对称 默认值, 接入QinQ用户希望通过非对称方式接入VPLS, 实现基于整个VSI范围的互通, 即使两端用户是对称方式,也可以工作在非对称模式;

如上图所示,在非对称方式下,PE1设备收到带有两层tag的用户数据报文后,会把内 外层tag都作为ISP的tag,MAC地址学习针对内外层tag。这种方式不能实现用户VLAN的隔 离,即PE1下面的VLAN100能和PE2下的VLAN300进行通信,也能和PE2下的VLAN400进 行通信。 在对称模式下,各个站点的VLAN规划必须一致,而且不同站点内只有相同VLAN之间 才能互访,在非对称模式下,用户可以随意规划自己的VLAN,任何站点任何VLAN的用户 可以互访。

2.4

QinQ 报文转发流程
在QinQ报文的转发过程中, 只有进行QinQ封装和终结的两端设备才需要处理QinQ的双

层标签,所有中间设备只处理外层标签,换句话说,所有中间设备采用普通设备即可,不需

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要支持QinQ功能。 QinQ报文转发主要包括两种场景, 一是全程采用QinQ技术, 一是QinQ终结于核心网边 缘。

2.4.1 全程采用 QinQ 技术

鉴于QinQ透明传送用户数据的特性,对于扩展性要求不高、小型的VPN业务,可以采 用基于端口的QinQ方式,如上图所示,CE设备通过Trunk方式和PE对接,PE端口采用Acc ess方式并启用基于端口的QinQ功能,用户数据到达PE1后,统一封装外层VLAN TAG100 0,在中间网络上QinQ报文沿外层VLAN进行传送,到达PE2设备后,根据端口的Access属 性,去掉外层标签,恢复用户数据。

2.4.2 QinQ 终结于核心网边缘
这种场景目前在ME网络中应用较多,QinQ封装主要采用基于流的封装方式,用户数据 到达UPE设备后,首先根据不同的流分类原则,打上不同的外层标签,在中间网络沿外层 标签传送,到达QinQ终结设备后,根据核心网不同的配置情况确定,具体处理过程请参看 上文的QinQ终结。

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3 典型应用
3.1 ME 网络中公众用户业务对 QinQ 的使用

如上图所示,DSLAM支持多PVC接入,同一用户使用多种业务,包括PC上网、IPTV 和VOIP等。 运营商确定不同的PVC对应不同的业务,不同业务使用不同的VLAN ID区间: PC上网:101-300,VOIP:301-500,IPTV:501-700 假设一个用户现在使用VOIP业务,用户数据通过特定的PVC到达DSLAM,根据PVC 和VLAN区间的对应关系,打上VOIP VLAN区间的一个标签,假设为301,当VOIP报文到 达UPE设备时,根据不同的VLAN区间打上不同的外层VLAN ID,假设为2000,此时,内层 VLAN代表了用户信息, 外层VLAN代表了业务信息, 同时也可以代表DSLAM的位置信息 (不 同DSLAM下的数据打上不同的外层标签),然后数据沿外层VLAN标签到达NPE设备,在Q inQ终结子接口进行终结,根据核心网配置的不同,后续进入IP转发或进入对应的VPN。 PC上网和IPTV业务和此类似,唯一区别是PC上网一般在BRAS设备进行QinQ终结。

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根据需要,NPE可以根据双层标签作HQOS调度,可以生成DHCP绑定表,防止网络攻 击,还可以根据双层VLAN信息及其他进行DHCP+认证等,另外,可以在NPE处启用QinQ 的VRRP,保证业务的可靠接入。
说明:上述NPE设备包括BRAS和SR两种设备。

3.2

企业用户专线互连

如上图所示,某个企业在不同的地方有两个站点,每个站点包括财务、营销及其他三个 网络,为了保证网络的安全,要求不同网络的用户不能互访。 运营商在核心网采用VPLS技术,在ME网络采用简单实用的QinQ方式,每个站点规划 三个VLAN,代表财务、营销及其他,VLAN ID分别为100,200和300,在UPE上基于端口 封装一个外层VLAN1000(两侧可以不同),配置NPE上的VSI为对称模式,则不同站点之 间只有相同VLAN内的用户才可以通信。

4 结束语
QinQ丰富了VLAN的应用场景,随着城域以太网的大力发展,QinQ由于其简单灵活和 支持业务丰富的特点,在城域以太网的解决方案中将扮演越来越重要的角色。

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附录A
IEEE 802.1Q IEEE 802.1ad

参考资料

附录B
缩略语 QinQ VLAN Stacking VLAN Mapping VPLS VSI VLL PWE3 PW

缩略语
英文全名 802.1Q in 802.1Q VLAN Stacking VLAN Mapping Virture Private LAN Service Virtual Switch Instance Virtual Leased Line Pseudo Wire Emulation Edge-to-edge Pseudo Wire QinQ Termination 中文解释 802.1Q 隧道协议 VLAN 叠加 VLAN 映射 虚拟私网业务 虚拟交换实例 虚拟专线业务 边缘到边缘伪线仿真 伪线 两层 tag 报文的终结

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