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QinQ 技术解析

1. 概述

QinQ技术〔也称Stacked VLAN 或Double VLAN〕。标准出自IEEE 802.1ad,其实现将用户私网VLAN Tag封装在公网VLAN Tag中，使报文带着两层VLAN Tag穿越运营商的骨干网络（公网）。

2. QinQ 的产生背景

IEEE802.1Q中定义的VLAN Tag域中只有12个比特位用于表示VLAN ID，所以设备最多可以支持4094个VLAN。在实际应用中，尤其是在城域网中，需要大量的VLAN来隔离用户，4094个VLAN远远不能满足需求。

3. QinQ的作用及原理

设备提供的端口QinQ特性是一种简单、灵活的二层VPN技术，它通过在运营商网络边缘设备上为用户的私网报文封装外层VLAN Tag，使报文携带两层VLAN Tag穿越运营商的骨干网络（公网）。

在公网中，设备只根据外层VLAN Tag对报文进行转发，并将报文的源MAC地址表项学习到外层Tag所在VLAN的MAC地址表中，而用户的私网VLAN Tag在传输过程中将被当作报文中的数据部分来进行传输。

QinQ特性使得运营商可以用一个VLAN为含有多个VLAN的用户网络服务。如图1所示，用户网络A的私网VLAN为VLAN 1～10，用户网络B的私网VLAN为VLAN 1～20。运营商为用户网络A分配的VLAN为VLAN 3，为用户网络B分配的VLAN为VLAN 4。当用户网络A的带VLAN Tag的报文进入运营商网络时，报文外面会被封装上一层VLAN ID为3的VLAN Tag；当用户网络B的带VLAN Tag的报文进入运营商网络时，报文外面会被封装上一层VLAN ID为4的VLAN Tag。这样，不同用户网络的报文在公网传输时被完全分开，即使两个用户网络的VLAN范围存在重叠，在公网传输时也不会产生混淆。

QinQ 技术解析-LMLPHP

4. QinQ 技术的优点

  1. 扩展VLAN，对用户进行隔离和标识不再受到限制。
  2. QinQ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，更利于业务的部署。
  3. QinQ封装、终结的方式很丰富，帮助运营商实现业务精细化运营。
    • 解决日益紧缺的公网VLAN ID 资源问题
    • 用户可以规划自己的私网VLNA ID
    • 提供一种较为简单的二层VPN解决方案
    • 使用户网络具有较高的独立性

5. QinQ 的报文结构

QinQ 技术解析-LMLPHP

Destination address6字节目的MAC地址。
Source address6字节源MAC地址。
Type2字节长度为2字节，表示帧类型。设备可以根据这个字段判断对它接受与否。取值为0x8100时表示802.1Q Tag帧。如果不支持802.1Q的设备收到这样的帧，会将其丢弃。对于内层VLAN tag，该值设置为0x8100；对于外层VLAN tag，有下列几种类型0x8100：思科路由器使用、0x88A8：Extreme Networks switches使用、0x9100：Juniper路由器使用、0x9200：Several路由器使用
PRI3比特Priority，长度为3比特，表示帧的优先级，取值范围为0～7，值越大优先级越高。用于当交换机阻塞时，优先发送优先级高的数据包。
CFI1比特CFI (Canonical Format Indicator)，长度为1比特，表示MAC地址是否是经典格式。CFI为0说明是经典格式，CFI为1表示为非经典格式。用于区分以太网帧、FDDI（Fiber Distributed Digital Interface）帧和令牌环网帧。在以太网中，CFI的值为0。
VID12比特LAN ID，长度为12比特，表示该帧所属的VLAN。在VRP中，可配置的VLAN ID取值范围为1～4094。
Length/Type2字节指后续数据的字节长度，但不包括CRC检验码。
Data42~1500字节负载（可能包含填充位）。
CRC4字节用于帧内后续字节差错的循环冗余检验（也称为FCS或帧检验序列）。

QinQ 抓包示例：

QinQ 技术解析-LMLPHP

6. QinQ的实现方式

QinQ可分为两种：基本QinQ 和 灵活QinQ。

(1) 基本QinQ

基本QinQ是基于端口方式实现的。开启端口的基本QinQ功能后，将进入此端口的所有流量全部封装一个相同的外层 VLAN 标签。如果接收到的是已经带有VLAN Tag的报文，该报文就成为双Tag的报文；如果接收到的是不带VLAN Tag的报文，该报文就成为带有端口缺省VLAN Tag的报文。

QinQ 技术解析-LMLPHP

如图所示，企业部门1（Department1）有两个办公地，部门2（Department2）有三个办公地，两个部门的各办公地分别和网络中的PE1、PE2相连，部门1和部门2可以任意规划自己的VLAN。这样，可在PE1和PE2上通过如下思路配置QinQ二层隧道功能，使得每个部门的各个办公地网络可以互通，但两个部门之间不能互通。

  • 在PE1上，对于进入端口Port1和Port2的用户（都属于部门1）数据帧都封装外层VLAN 10，对于进入端口Port3中用户（属于部门2）数据帧都封装外层VLAN 20
  • 在PE2上，对于进入端口Port1和Port2的用户（都属于部门2）数据帧都封装外层VLAN 20
  • PE1上的端口Port4和PE2上的端口Port3允许VLAN 20的用户数据帧通过，以便实现连接在PE1的Port3上部门2的用户与连接在PE2的Port1和Port2上部门2的用户互通

这种基本QinQ封装就相当于用一个外层的VLAN标签映射同类用户的多个内层VLAN标签，以减少ISP端设备VLAN ID的使用量。

(2) 灵活QinQ

灵活QinQ是对QinQ的一种更灵活的实现，它是基于端口与VLAN相结合的方式实现的。除了能实现所有基本QinQ的功能外，对于同一个端口接收的报文还可以根据不同的VLAN做不同的动作。它可以分为以下三个子类：

  • 基于VLAN ID的灵活QinQ： 它是基于数据帧中不同的内层标签的VLAN ID来添加不同的外层标签。即具有相同内层标签的帧添加相同的外层VLAN标签，具有不同内层标签的帧添加不同的外层VLAN标签。这就要求不同用户的内层VLAN ID或VLAN ID范围不能重叠或交叉。
  • 基于802.1p优先级的灵活QinQ： 它是基于数据帧中不同的内层标签的802.1p优先级来添加不同的外层标签。即具有相同内层VLAN 802.1p优先级的帧添加相同的外层标签，具有不同内层VLAN 802.1p优先级的帧添加不同的外层标签。这就要求不同用户的内层VLAN的802.1p优先级或802.1p优先级范围不能重叠或交叉。
  • 基于流策略的灵活QinQ： 它是根据所定义的QoS策略为不同的数据帧添加不同的外层标签。基于流策略的灵活QinQ是基于端口与VLAN相结合的方式实现的，能够针对业务类型提供差别服务。

QinQ 技术解析-LMLPHP

如图所示，企业的部门1有多个办公地，部门2也有多个办公地。部门1的网络中使用VLAN 2~VLAN 500；部门2的网络中使用VLAN 500~VLAN 4094。PE1的Port1端口会同时收到两个部门不同VLAN区间的用户数据帧。

此时可根据图中标识的各办公地的用户VLAN ID范围在PE1和PE2上通过如下思路配置基于VLAN的灵活QinQ功能，使得每个部门的各个办公地网络可以互通，但两个部门之间不能互通。具体配置思路如下：

  • 对于进入PE1的Port1端口的用户数据帧，依据其VLAN ID的不同添加对应的外层VLAN标签。如VLAN ID在2~500之间，则封装VLAN ID为10的外层标签；如VLAN ID在1000~2000之间，则封装VLAN ID为20的外层标签；
  • 对于进入PE1的Port2端口的用户数据帧，如果VLAN ID在100~500之间，则封装VLAN ID为10的外层标签；
  • 对于进入PE2的Port1端口的用户数据帧，如VLAN ID在1000~4094之间，则封装VLAN ID为20的外层标签；
  • 对于进入PE2的Port2端口的用户数据帧，如果VLAN ID在500~2500之间，则封装VLAN ID为20的外层标签；
  • 在PE1和PE2的Port3端口上允许VLAN 20的帧通过，以便实现连接在PE1的Port1端口下连接的部门2用户与连接在PE2的Port1和Port2的部门2的用户互通。

可以看出，灵活QinQ比基本QinQ的外层标签封装更加灵活，可可以根据用户数据帧中的原来的VLAN ID范围来确定封装不同的外层标签，这样更有方便了对相同网络中不同业务的用户数据流提供差分服务。

7. QinQ/Dot1q终结子接口

QinQ/Dot1q终结是指设备对数据帧的双层或者单层VLAN标签进行识别，根据后续的转发行为对帧中的双层或者单层VLAN标签进行剥离，然后继续传送。也就是这些VLAN标签仅在此之前生效，后面的数据传输和处理不再依据帧中的这些VLAN标签。

VLAN终结的实质包括两个方面：

  • 对于接口收到的VLAN报文，去除VLAN标签后进行三层转发或其他处理。从设备其它接口转发出去的报文是否带有VLAN标签由对应的端口类型及其数据发送规则决定。
  • 对于接口发送的报文，又将相应的VLAN标签信息添加到报文中后再发送。

终结一般在路由子接口上执行，即终结子接口，如我们在单臂路由中就要配置路由子接口的802.1Q的VLAN终结。如果路由子接口是对数据帧的单层VLAN标签终结，那么该子接口称为Dot1q 终结子接口；如果路由子接口是对数据帧的双层VLAN标签终结，那么该子接口称为QinQ终结子接口。QinQ终结子接口根据终结的用户VLAN标签的类型，通常分为两种子接口：

  • 明确的QinQ终结子接口：两层VLAN标签为固定的值。
  • 模糊的QinQ终结子接口：两层VLAN标签为范围值，即：终结的内、外层标签都为一个VLAN ID范围值。

注意：

8. TPID（Tag Protocol Identifier）

标签协议标识TPID（Tag Protocol Identifier）是VLAN Tag中的一个字段，表示VLAN Tag的协议类型，IEEE 802.1Q协议规定该字段的取值为0x8100。

IEEE802.1Q协议定义的以太网帧的VLAN Tag。802.1Q Tag位于SA（Source Address）和Length/Type之间。通过检查对应的TPID值，设备可确定收到的帧承载的是运营商VLAN标记还是用户VLAN标记。接收到帧之后，设备将配置的TPID值与帧中TPID字段的值进行比较。如果二者匹配，则该帧承载的是对应的VLAN标记。例如，如果帧承载TPID值为0x8100的VLAN标记，而用户网络VLAN标记的TPID值配置为0x8200，设备将认为该帧没有用户VLAN标记。也就是说，设备认为该帧是Untagged报文。

另外，不同运营商的系统可能将QinQ帧外层VLAN标记的TPID设置为不同值。为实现与这些系统的兼容性，可以修改TPID值，使QinQ帧发送到公网时，承载与特定运营商相同的TPID值，从而实现与该运营商设备之间的互操作性。以太网帧的TPID与不带VLAN标记的帧的协议类型字段位置相同。为避免在网络中转发和处理数据包时出现问题，不可将TPID值设置为下表中的任意值：

协议类型及对应值描述表：

协议类型对应值
ARP0x0806
RARP0x8035
IP0x0800
IPv60x86DD
PPPoE0x8863/0x8864
MPLS0x8847/0x8848
IPX/SPX0x8137
LACP0x8809
802.1x0x888E
HGMP0x88A7
设备保留0xFFFD/0xFFFE/0xFFFF

9. QinQ 配置

配置基本QinQ(二层)

如下图，通过配置基本QinQ，实现客户网络在运营商网络中的传输

QinQ 技术解析-LMLPHP

配置文件：

LSW1 与 LSW4配置相同:

<SW1>dis current-configuration

#

sysname SW1

#

vlan batch 10 20 //批量创建 vlan 10 与 vlan 20

#

interface GigabitEthernet0/0/1

 port link-type access

 port default vlan 10

#

interface GigabitEthernet0/0/2

 port link-type access

 port default vlan 20

#

interface GigabitEthernet0/0/3

 port link-type trunk

 port trunk allow-pass vlan 10 20

#

LSW2 与 LSW3配置相同：

[SW2]dis current-configuration

#

sysname SW2

#

vlan batch 100

#

interface GigabitEthernet0/0/1

 port link-type dot1q-tunnel //使能二层QinQ功能

 port default vlan 100 //划分接口到VLAN100

#

interface GigabitEthernet0/0/2

 port link-type trunk

 port trunk allow-pass vlan 100

#

配置灵活QinQ(二层）

拓扑如上，LSW1和LSW4配置同上

LSW2 与 LSW3配置如下：

[SW2]dis current-configuration

#

sysname SW2

#

vlan batch 100 200

#

interface GigabitEthernet0/0/1

qinq vlan-translation enable

//开启QinQ的VLAN转换功能

port hybrid untagged vlan 100 200

//定义接口出方向剥离VLAN100和VLAN200的标签

port vlan-stacking vlan 10 stack-vlan 100

//接口收到来自VLAN10的数据帧后叠加一层VLAN100的外层标签

port vlan-stacking vlan 20 stack-vlan 200

//接口收到来自VLAN20的数据帧后叠加一层VLAN200的外层标签

#

interface GigabitEthernet0/0/2

 port link-type trunk

 port trunk allow-pass vlan 100 200

注：

  1. 灵活QinQ只能用在hybrid接口，trunk口无法实现。
  2. 基本QinQ可配置多层，而灵活QinQ只能配置两层，想要配多层，第三层开始得结合配置基本QinQ。

[参考文献]

  1. 百度百科 QinQ.
  2. H3C QinQ技术介绍 http://www.h3c.com/cn/d_200805/605855_30003_0.htm
  3. QinQ封装及终结详解 https://www.cnblogs.com/virusolf/p/4893344.html
  4. QinQ基础知识 https://blog.csdn.net/qq_38265137/article/details/80404320
05-11 13:11
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