overlay網路技術之VXLAN詳解

作為網路虛擬化的重要技術，VXLAN備受關注，該協議是如何運作的?如何通過數據與控制層面的分離實現SDN網路?如何部署?本博文將為您詳細介紹...

一 . 為什麼需要Vxlan

1. vlan的數量限制

4096個vlan遠不能滿足大規模雲計算數據中心的需求

2. 物理網路基礎設施的限制

基於IP子網的區域劃分限制了需要二層網路連通性的應用負載的部署

3. TOR交換機MAC表耗盡

虛擬化以及東西向流量導致更多的MAC表項

4. 多租戶場景

IP地址重疊?

二. 什麼是Vxlan

1. Vxlan報文

vxlan(virtual Extensible LAN)虛擬可擴展區域網，是一種overlay的網路技術，使用MAC in UDP的方法進行封裝，共50位元組的封裝報文頭。具體的報文格式如下：

(1) vxlan header

共計8個位元組，目前使用的是Flags中的一個8bit的標識位和24bit的VNI(Vxlan Network identifier)，其餘部分沒有定義，但是在使用的時候必須設置為0x0000。

(2) 外層的UDP報頭

目的埠使用4798，但是可以根據需要進行修改。同事UDP的校驗和必須設置成全0。

(3) IP報文頭

目的IP地址可以是單播地址，也可以是多播地址。單播情況下，目的IP地址是Vxlan Tunnel End Point(VTEP)的IP地址。在多播情況下引入VXLAN管理層，利用VNI和IP多播組的映射來確定VTEPs。

protocol：設置值為0x11，顯示說明這是UDP數據包

Source ip: 源vTEP_IP;

Destination ip: 目的VTEP IP。

(4) Ethernet Header

Destination Address：目的VTEP的Mac 地址，即為本地下一跳的地址(通常是網關Mac 地址);

VLAN: VLAN Type被設置為0x8100， 並可以設置Vlan Id tag(這就是vxlan的vlan 標籤)。

Ethertype：設置值為0x8000，指明數據包為IPv4的。

補充：VTEP的作用?

用於對VXLAN報文進行封裝/解封裝，包括ARP請求報文和正常的VXLAN數據報文，在一段封裝報文後通過隧道向另一端VTEP發送封裝報文，另一端VTEP接收到封裝的報文解封裝后根據封裝的MAC地址進行裝法。VTEP可由支持VXLAN的硬體設備或軟體來實現。

從封裝的結構上來看，VXLAN提供了將二層網路overlay在三層網路上的能力，VXLAN Header中的VNI有24個bit，數量遠遠大於4096，並且UDP的封裝可以穿越三層網路，比VLAN有更好的擴展性。

2. Vxlan的數據和控制平面

(1) 數據平面---隧道機制

已經知道，VTEP為虛擬機的數據包加上了層包頭，這些新的報頭之有在數據到達目的VTEP后才會被去掉。中間路徑的網路設備只會根據外層包頭內的目的地址進行數據轉發，對於轉發路徑上的網路來說，一個Vxlan數據包跟一個普通IP包相比，出了個頭大一點外沒有區別。

由於VXLAN的數據包在整個轉發過程中保持了內部數據的完整，因此VXLAN的數據平面是一個基於隧道的數據平面。

(2) 控制平面----改進的二層協議

VXLAN不會在虛擬機之間維持一個長連接，所以VXLAN需要一個控制平面來記錄對端地址可達情況。控制平面的表為(VNI，內層MAC，外層vtep_ip)。Vxlan學習地址的時候仍然保存著二層協議的特徵，節點之間不會周期性的交換各自的路由表，對於不認識的MAC地址，VXLAN依靠組播來獲取路徑信息(如果有SDN Controller，可以向SDN單播獲取)。

另一方面，VXLAN還有自學習的功能，當VTEP收到一個UDP數據報后，會檢查自己是否收到過這個虛擬機的數據，如果沒有，VTEP就會記錄源vni/源外層ip/源內層mac對應關係，避免組播學習。

三. VxlanARP請求

(1) vxlan初始化

VM1和VM2連接到VXLAN網路(VNI)100，兩個VXLAN主機加入IP多播組239.119.1.1

(2) ARP請求

1) VM1以廣播的形式發送ARP請求;

2) VTEP1封裝報文。打上VXLAN標識為100，外層IP頭DA為IP多播組(239.119.1.1)，SA為IP_VTEP1.

3) VTEP1在多播組內進行多播;

4) VTEP2解析接收到多播報文。填寫流表(VNI, 內層mac地址，外層Ip地址)，並在本地VXLAN標識為100的範圍內

廣播(是VXLAN的用武之地)。

5) VM2對接收到的ARP請求進行響應;

(3) ARP應答

1) VM2準備ARP響應報文後向VM1發送響應報文

2)VTEP2接收到VM2的響應報文後把它封裝在ip單播報文中(VXLAN標識依然為100)，然 後向VM1發送單播

3)VTEP1接收到單播報文後，學習內層MAC到外層ip地址的映射，解封裝並根據被封裝內容的目的MAC地址轉發給VM1

4)VM1接收到ARP應答報文，ARP交互結束

四：數據傳輸

(1) ARP請求應答之後，VM1知道了VM2的Mac地址，並且要向VM2通信(注意，VM1是以TCP的方法向VM2發送數據的)。

VTEP1 收到VM1發送數據包，用MAC地址從流表中檢查VM1與VM2是否屬於用一個VNI。兩個VM不但位於同一個VNI中(不在同一個VNI中出網關)，並且VTEP1已經知道了VM2的所有地址信息(MAC和VTEP2_IP)。VTEP1封裝新的數據包。然後交給上聯交換機。

(2) 上聯交換機收到伺服器發來的UDP包，對比目的IP地址和自己的路由表，然後將數據報轉發給相應的埠。

(3) 目的VTEP收到數據包后檢查器VNI，如果UDP報中VNI與VM2的VNI一致，則將數據包解封裝后交給VM2進一步處理。至此一個數據包傳輸完成。整個Vxlan相關的行為(可能穿越多個網關)對虛擬機來說是透明的，虛擬機不會感受傳輸的過程。雖然VM1與VM2之間啟動了TCP來傳輸數據，但數據包一路上實際是以UDP的形式被轉發，兩端的VTEP並不會檢查數據是否正確或者順序是否完整，所有的這些工作都是在VM1和VM2在接收到解封裝的TCP包后完成的。也就是說如果說如果被UDP封裝的是TCP連接，那麼UDP和TCP將做為兩個獨立的協議棧各自工作，相互之間沒有交互。

五：Vxlan網關

如果需要VXLAN網路和非VXLAN網路連接，必須使用VXLAN網關才能把VXLAN網路和外部網路進行橋接和完成VXLAN ID和VLAN ID之間的映射和路由，和VLAN一樣，VXLAN網路之間的通信也需要三層設備的支持，即VXLAN路由的支持。同樣VXLAN網關可由硬體和軟體來實現。從封裝的結構上來看，VXLAN提供了將二層網路overlay在三層網路上的能力，VXLAN Header中的VNI有24個bit，數量遠遠大於4096，並且UDP的封裝可以穿越三層網路，比VLAN有更好的擴展性。

六.部署

(1) 純VXLAN部署場景

對於連接到VXLAN內的虛擬機，由於虛擬機的VLAN信息不再作為轉發的依據，虛擬機的遷移也就不再受三層網關的限制，可以實現跨越三層網關的遷移。

(2) VXLAN與VLAN混合部署

為了實現VLAN和VXLAN之間互通，VXLAN定義了VXLAN網關。VXLAN網關上同時存在兩種類型的埠：VXLAN埠和普通埠。

當收到從VXLAN網路到普通網路的數據時，VXLAN網關去掉外層包頭，根據內層的原始幀頭轉發到普通埠上;當有數據從普通網路進入到VXLAN網路時，VXLAN網關負責打上外層包頭，並根據原始VLAN ID對應到一個VNI，同時去掉內層包頭的VLAN ID信息。相應的如果VXLAN網關發現一個VXLAN包的內層幀頭上還帶有原始的二層VLAN ID，會直接將這個包丟棄。

之所以這樣，是VLAN ID是一個本地信息，僅僅在一個地方的二層網路上其作用，VXLAN是隧道機制，並不依賴VLAN ID進行轉發，也無法檢查VLAN ID正確與否。因此，VXLAN網關連接傳統網路的埠必須配置ACCESS口，不能啟用TRUNK口。

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