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【网工技术】GRE协议介绍

发布作者：新盟教育发布日期：2022-09-05 浏览人数：5130人

网工技术

项目背景

IPv6的部署大致要经历一个渐进的过程，在初始阶段，IPv4的网络海洋中会出现若干局部零散的IPv6孤岛，为了保持通信，这些孤岛通过跨越IPv4的隧道彼此连接；随着IPv6规模的应用，原来的孤岛逐渐聚合成为了骨干的IPv6 Internet网络，形成于IPv4骨干网并存的局面，在IPv6骨干上可以引入了大量的新业务，同时可以充分发挥IPv6的诸多优势。

为了实现IPv6和IPv4网络资源的互访，还需要转换服务器以实现v6和v4的互通；最后，IPv4骨干网逐步萎缩成局部的孤岛，通过隧道连接，IPv6占据了主导地位，具备全球范围的连通性。

IPv6提供很多过渡技术来实现上述这样一个演进过程。这些过渡技术围绕两类问题解决：

① IPv6孤岛互通技术：实现IPv6网络和IPv6网络的互通。

② IPv6和IPv4互通技术：实现两个不同网络之间互相访问资源。

目前，解决上述问题的基本过渡技术有两种：双栈和隧道。

① 双栈：即设备升级到IPv6的同时保留IPv4支持，可以同时访问IPv6和IPv4设备，包含双协议栈支持，应用程序依靠DNS地址解析返回的地址类型，来决定使用何种协议栈。

② 隧道：通过在一种协议中承载另一种协议，实现跨越不同域的互通，具体可以是IPv6-in-IPv4,IPv6-in-MPLS,IPv4-in-IPv6等隧道类型。

GRE隧道（VPN）

GRE与IP in IP、IPX over IP等封装形式很相似，但比他们更通用。在GRE的处理中，很多协议的席位差异都被忽略，这使得GRE不限于某个特定的“X over Y”应用，而是一种最基本的封装形式。

在最简单的情况下，路由器接收到一个需要封装和路由的原始数据报文（Payload），这个报文首先被GRE封装而成GRE报文，接着被封装在IP协议中，然后完全由IP层负责此报文的转发。

原始报文的协议被称之为乘客协议，GRE被称之为封装协议，而负责转发的IP协议被称之为传递（Delivery）协议或传输（Transport）协议。注意到在以上的流程中不用关心乘客协议的具体格式或内容，整个被封装的报文格式：

    -------------------------------
      |   Delivery Header           |
      |   (Transport Protocol)      |
      -------------------------------
      |  GRE Header                 |
      |  (Encapsulation Protocol    |
      -------------------------------
      |  Payload Packet             |
      |  (Passenger Protocol)       |
      -------------------------------GRE报头的格式如下:

      0                   1                   2                   3
      0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |C|R|K|S|s|Recur|  Flags  | Ver |         Protocol Type         |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |      Checksum (optional)      |       Offset (optional)       |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |                         Key (optional)                        |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |                    Sequence Number (optional)                 |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |                    Routing (optional)                         |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

GRE隧道原理：

1、封装

Ingress PE从连接X协议的接口接收到X协议报文后，首先交由X协议处理。

X协议根据报文头中的目的地址在路由表或转发表中查找出接口，确定如何转发此报文。如果发现出接口是GRE Tunnel接口，则对报文进行GRE封装，即添加GRE头。

根据骨干网传输协议为IP，给报文加上IP头。IP头的源地址就是隧道源地址，目的地址就是隧道目的地址。

根据该IP头的目的地址（即隧道目的地址），在骨干网路由表中查找相应的出接口并发送报文。之后，封装后的报文将在该骨干网中传输。

2、解封装

解封装过程和封装过程相反。

Egress PE从GRE Tunnel接口收到该报文，分析IP头发现报文的目的地址为本设备，则Egress PE去掉IP头后交给GRE协议处理。GRE协议剥掉GRE报头，获取X协议，再交由X协议对此数据报文进行后续的转发处理。

配置：

左边为R3，右边为R4
R3：
配置公网IP：
interface GE0/3/4
 ip address 34.0.0.3/24
 no shutdown
!
配置私网IP：
interface GE0/1/3
 ip address 13.0.0.3/24
 no shutdown
!
配置GRE Tunnel：
interface tunnel100
 tunnel mode gre
 tunnel source 34.0.0.3
 tunnel destination 34.0.0.4
 ip address 192.168.100.3/24  //和对方Tunnel IP在同一网段
 no shutdown
!
配置路由：
ip route 0.0.0.0/0 34.0.0.4    //到公网默认路由
ip route 24.0.0.0/24 tunnel100  //到对方私网路由通过Tunnel 100访问
!


R4：
配置公网IP：
interface GE0/3/4
 ip address 34.0.0.4/24
 no shutdown
!
配置私网IP：
interface GE0/2/4
 ip address 24.0.0.4/24
 no shutdown
!
配置GRE Tunnel：
interface tunnel100
 tunnel mode gre
 tunnel source 34.0.0.4
 tunnel destination 34.0.0.3
 ip address 192.168.100.4/24  //和对方Tunnel IP在同一网段
 no shutdown
!
配置路由：
ip route 0.0.0.0/0 34.0.0.3    //到公网默认路由
ip route 13.0.0.0/24 tunnel100  //到对方私网路由通过Tunnel 100访问
!

在R4上ping R3的私网地址13.0.0.3,抓包如下：

GRE报文解析:

GRE头各字段解释：

目前实现的GRE头不包含源路由字段，所以Bit 1、Bit 3和Bit 4都置为0。

GRE安全机制

GRE本身提供两种基本的安全机制：校验和验证，识别关键字。

1、校验和验证

校验和验证是指对封装的报文进行端到端校验。

若GRE报文头中的C位标识位置1，则校验和有效。发送方将根据GRE头及Payload信息计算校验和，并将包含校验和的报文发送给对端。接收方对接收到的报文计算校验和，并与报文中的校验和比较，如果一致则对报文进一步处理，否则丢弃。

隧道两端可以根据实际应用的需要决定配置校验和或禁止校验和。如果本端配置了校验和而对端没有配置，则本端将不会对接收到的报文进行校验和检查，但对发送的报文计算校验和；相反，如果本端没有配置校验和而对端已配置，则本端将对从对端发来的报文进行校验和检查，但对发送的报文不计算校验和。

2、识别关键字

识别关键字（Key）验证是指对Tunnel接口进行校验。通过这种弱安全机制，可以防止错误识别、接收其它地方来的报文。

RFC1701中规定：若GRE报文头中的K位为1，则在GRE头中插入一个四字节长关键字字段，收发双方将进行识别关键字的验证。

关键字的作用是标志隧道中的流量，属于同一流量的报文使用相同的关键字。在报文解封装时，GRE将基于关键字来识别属于相同流量的数据报文。只有Tunnel两端设置的识别关键字完全一致时才能通过验证，否则将报文丢弃。这里的“完全一致”是指两端都不设置识别关键字，或者两端都设置相同的关键字。

GRE的Keepalive检测

由于GRE协议并不具备检测链路状态的功能，如果对端接口不可达，隧道并不能及时关闭该Tunnel连接，这样会造成源端会不断的向对端转发数据，而对端却因隧道不通接收不到报文，由此就会形成数据空洞。

GRE的Keepalive检测功能可以检测隧道状态，即检测隧道对端是否可达。如果对端不可达，隧道连接就会及时关闭，避免因对端不可达而造成的数据丢失，有效防止数据空洞，保证数据传输的可靠性。

Keepalive检测功能的实现过程如下：

当GRE隧道的源端使能Keepalive检测功能后，就创建一个定时器，周期地发送Keepalive探测报文，同时通过计数器进行不可达计数。每发送一个探测报文，不可达计数加1。

对端每收到一个探测报文，就给源端发送一个回应报文。

如果源端的计数器值未达到预先设置的值就收到回应报文，就表明对端可达。如果源端的计数器值到达预先设置的值——重试次数（Retry Times）时，还没收到回送报文，就认为对端不可达。此时，源端将关闭隧道连接。但是源端口仍会继续发送Keepalive报文，若对端Up，则源端口也会Up，建立隧道链接。

对于设备实现的GRE Keepalive检测功能，只要在隧道一端配置Keepalive，该端就具备Keepalive功能，而不要求隧道对端也具备该功能。隧道对端收到报文，如果是Keepalive探测报文，无论是否配置Keepalive，都会给源端发送一个回应报文。

GRE具有如下的优点：

1.多协议的本地网可以通过单一协议的骨干网实现传输；

2.将一些不能连续的子网连接起来，用于组建VPN；

3.扩大了网络的工作范围，包括那些路由网管有限的协议。如IPX包最多可以转发16次（即经过16个路由器），而在一个Tunnel连接中看上去只经过一个路由器。

由于GRE是将一个数据包封装到另一个数据包中，因此可能会遇到GRE的数据报大于网络接口所设定的数据包最大尺寸的情况。解决这种问题的方法是在隧道接口上配置ip tcp adjust-mss 1436。另外，虽然GRE并不支持加密，但是可以通过Tunnel key命令在隧道的两头各设置一个密钥。

这个密钥其实就是一个明文的密码。由于GRE隧道没有状态控制，可能隧道的一端已经关闭，而另一端仍然开启。这一问题的解决方案就是在隧道两端开启keepalive数据包，它可以让隧道一端定时向另一端发送keepalive数据，确认端口保持开启状态。如果隧道的某一端没有按时收到keepalive数据，那么这一侧的隧道端口也会关闭。

IPSec（VPN）

IPSec（IP Security）是一组开放协议的总称，特定的通信方之间的IP层通过加密与数据源验证，以保证数据包在Internet网上传输时的私有性、完整性和真实性。IPSec通过AH（Authentication Header）和ESP（Encapsulating Security Payload）这两个安全协议来实现。

AH在IP包中的位置(隧道方式):

    -------------------                ------------------------------
    | IP | TCP | Data |  ---------->   | IP2 | AH | IP | TCP | Data |  
    -------------------                ------------------------------
ESP将需要保护的用户数据进行加密后再封装到IP包中，ESP可以保证数据的完整性、真实性和私有性。

ESP头在IP包中的位置(隧道方式)：

  -------------------                ------------------------------------------------
    | IP | TCP | Data |  ---------->   | IP2 | ESP | IP | TCP | Data | Trailer | Auth |
    -------------------                ------------------------------------------------

IPv6 over IPv4隧道

在IPv4网络向IPv6网络过渡的初期，IPv4网络已被大量部署，而IPv6网络只是散布在世界各地的一些孤岛。利用隧道技术可以在IPv4网络上创建隧道，从而实现IPv6孤岛之间的互连。

在IPv4网络上用于连接IPv6孤岛的隧道成为IPv6 over IPv4隧道。为了实现IPv6 over IPv4隧道，需要在IPv4孤岛的隧道称为IPv6 over IPv4隧道。为了实现IPv6 over IPv4隧道，需要在IPv4网络与IPv6网络交界的边界路由设备商启动IPv4/IPv6双协议栈。

IPv6 over IPv4隧道技术的原理:

① 边界路由设备启动IPv4/IPv6双协议栈，并配置IPv6 over IPv4隧道。

② 边界路由设备在收到从IPv6网络侧发来的报文后，如果报文的目的地址不是自身且下一跳出接口为Tunnel接口，就要把收到的IPv6报文作为负载，加上Ipv4报文头，封装成IPv4报文。

③ 在IPv4网络中，封装后的报文被传递到对端的边界路由设备。

④ 对端边界路由设备对报文解封装，去掉IPv4报文头，然后将封装后的IPv6报文发送到对端的IPv6网络中。

⑤ 其他隧道原理类似。

IPv4 over IPv6隧道

在IPv4 Internet向IPv6 Internet过渡后期，IPv6网络被大量部署后，而IPv4网络只是散布在世界各地的一些孤岛。利用隧道技术可以在IPv6网络上创建隧道，从而实现IPv4孤岛的互联，IPv4孤岛能通过IPv6公网访问其他IPv4网络。