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VXLAN：云盘算时代的隧道手艺（一）

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VXLAN：云盘算时代的隧道手艺（一）

【VXLAN隧道手艺】本文主要是先容了什么VXLAN，VXLAN二层隧道手艺以及为什么需要VXLAN， VXLAN的优势和价值。

#交流机

宣布时间：2022-04-27
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1 VXLAN：云盘算时代的隧道手艺

1.1 什么是VXLAN

VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟可扩展局域网）是建设在物理IP网络之上的二层隧道手艺。在云盘算快速生长的时代，古板网络无法知足云盘算对扩展性的要求，VXLAN能够为跨地区的大都据中心间提供二层互联，并且能够对海量用户差别营业举行隔离。VXLAN使用UDP报文对原始二层以太网数据帧举行封装，因此能够跨三层网络传输二层营业流量。

图1-1 VXLAN二层隧道手艺

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1.2 为什么需要VXLAN

1.2.1 古板手艺在数据中心场景下的逆境

随着网络和虚拟化手艺的生长，服务器虚拟化在数据中心中的应用越发普遍。在数据中心的服务器装备上安排虚拟机提高了服务器的装备使用率，有用降低了数据中心的硬件本钱和运营本钱。
虚拟化手艺的引入为古板数据中心网络带来了新的挑战。

●二层网络界线限制

随着虚拟化手艺的应用，每个实体服务器上可能会运行大宗虚拟机，因此二层网络中虚拟机MAC地址数目面临数目级的增添。为了差别二层网络间能够正常转发数据报文，接入交流机需要学习每一个二层网络中虚拟机的MAC地址。受限于硬件水平，接入交流机的MAC地址表容量一样平常较小，难以知足需求。

图1-2 MAC地址表限制

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●网络隔离能力有限

在古板数据中心网络中，虚拟机通过VLAN举行流量隔离，差别租户虚拟机被划分到差别的VLAN中。VLAN手艺通过VLAN ID对差别的VLAN举行区分，用于举行VLAN识别的VID字段长度为12bit，即现实可分派的VLAN ID数目为2^12-2 = 4094（首尾两个VLAN ID保存），这个数目在某些大规模数据中心内是缺乏的。另外古板的VLAN无法知足网络动态调解的需求，网络的扩容和调解都很是难题。

●虚拟机迁徙限制

由于服务器硬件资源问题（如CPU过高、磁盘不敷和内存缺乏等）或机房的搬家转移，虚拟机需迁徙到其他服务器上。为了包管虚拟机迁徙历程中营业不被中止，要求虚拟机的MAC地址和IP地址在迁徙前后不爆发改变，因此虚拟机只能在目今所在二层网络中举行迁徙。

图1-3 虚拟机迁徙限制
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1.2.2 VXLAN的优势和价值

1）VXLAN报文名堂

为了便于明确VXLAN是怎样解决数据中心网络生长遇到的种种难题，我们先对VXLAN的报文名堂举行先容。
VXLAN装备在收到虚拟机发送的数据帧时会封装四个部分以形成新的帧头（内层的数据帧携带的原始目的/源MAC、内层VLAN Tag和以太网类型坚持稳固）。这四个部分由内而外划分是“VXLAN头部”、“外层UDP头”、“外层IP头”和“外层以太帧头”。VXLAN头和原始以太网数据帧作为UDP报文的数据段。

图1-4 VXLAN报文名堂

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●VXLAN头部

长度为64位，现在协议版本设计中，其唯一的作用就是携带中心24位的VNI标识，这个VNI标识是由VTEP（VXLAN Tunnel End Point，虚拟扩展外地网络隧道终结结点）分派的。

○Flag（8位）：其中I位必需设置成1以体现有用的VNI，R位设置成0。

○VXLAN Segment ID/VXLAN Network Identifier (VNI)：占24位，体现VXLAN网络标识符。与VLAN的情形类似，虚拟机属于相同的VXLAN才华举行二层通讯。

○Reserved：有两处，划分占24位和8位，填充0。

●外层UDP头部

图1-5 外层UDP头部

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UDP头部各字段寄义如下：
○Source Port：UDP源端口号。由VTEP分派，源端口号是数据帧自己的二层帧头哈希运算的效果。
○Destination Port：目的端口号，IANA分派端口号为4789。
○UDP Length：UDP头部的长度。
○UDP Checksum：UDP校验和，发送时填充0。
●外层IP头部

图1-6 外层IP头部

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外层IP头部主要字段寄义如下：

○Outer Source IPv4 Address：VXLAN隧道本端VTEP的IP地址。VTEP为VXLAN隧道两头的装备。

○Outer Destination IPv4 Address：可以是单播IP地址，也可以是多播地址。若是是单播地址，体现需要通讯的虚拟机对应的VTEP的IP地址。

外层IP头部的IP地址不再是通讯双方虚拟机的地址，而是隧道两头的VTEP装备地址。若是虚拟机所在服务器的虚拟机监视器直接肩负VTEP的事情，那么此处IP地址就是运行虚拟机软件的服务器网卡的IP地址。若VTEP是交流或路由装备，则IP地址是出端口上的IP地址或三层SVI接口的IP地址。

●外层以太网头部

图1-7 外层以太网头部

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外层以太网头部主要字段寄义如下：
○   Outer destination MAC address：指向目的VTEP IP的下一跳MAC地址。
○   Outer source MAC address：本端VTEP的MAC地址。
○   Outer VLAN tag information：可选携带。

2）为什么VXLAN是数据中心的最优解
从上文的VXLAN报文名堂可以看出VXLAN是怎样解决古板手艺在数据中心场景下的逆境。

●突破二层网络界线限制，解决MAC容量问题
VXLAN使用UDP封装虚拟机发出的数据包，UDP数据包的外层IP/MAC头部均使用物理网络的IP/MAC地址。因此，除了VXLAN网络边沿装备，网络中的其他装备不需要识别虚拟机的MAC地址，减轻了装备的MAC地址学习压力。

●解决VLAN数目缺乏问题
VXLAN可以支持多达16M的VXLAN网段的网络隔离，对用户举行隔离和标识不再受到限制，可知足海量租户。

●虚拟机迁徙限制
VXLAN通过接纳MAC in UDP封装来延伸二层网络，实现了物理网络和虚拟网络解耦，租户妄想虚拟网络时不需要思量物理网络IP地址和广播域的限制，降低了网络管理的难度。通过VXLAN构建大二层网络，包管了在虚拟迁徙时虚拟机的IP地址、MAC地址等参数坚持稳固。

1.3 VXLAN基本看法
1.3.1 什么是Underlay网络和Overlay网络

Underlay网络是一个已有的物理承载网络。Overlay网络是一个建设在已有网络上的虚拟网络，由逻辑节点和逻辑链路组成。VXLAN就是在物理网络基础上（好比IP网络）构建了一个叠加的虚拟网络。

图1-8 Overlay和Underlay示意图

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这里我们以班车为例做一个类比，便于各人明确Underlay网络和Overlay网络和其中的看法。公共交通蹊径好比上文中提到的承载网络。若员工选择自驾上班，那么员工需要在每个路口妄想下一段路需要怎么走，这种情形属于事情在Underlay网络。若员工选择坐班车上班，员工不需要知道中心每个路段需要怎样通行，只需相识班车时间表和站点信息（上车所在和目的地），并通过工牌等方法搭乘班车即可，员工只需要体贴起点和终点即可，这种情形属于事情在Overlay网络。员工选择Overlay方法上班的案例中，班车排班、站点妄想、行政分发班车信息等均属控制面板行为，通过工牌搭乘班车和下班车属于数据面行为。
Underlay网络和Overlay网络保存如下特点：

●承载网络（Underlay）和虚拟网络（Overlay）完全疏散，互不感知。
●Underlay网络要求简朴、易管理，同时能够为Overlay网络提供稳固、可靠的转发能力。
●Overlay网络需要提供无邪性和可扩展性。

1.3.2 什么是VTEP

以VLAN使用场景为类比，VTEP相当于交流机装备。局域网中交流机认真修改和还原VLAN数据帧，而VTEP用于封装息争封装VXLAN报文。VTEP是VXLAN隧道的起点和终点，在VXLAN隧道的起点，VTEP将虚拟机爆发的数据封装到UDP包头内再发送出去，虚拟机自己的MAC地址和VLAN信息在经由封装后不再作为数据转发的依据；在隧道终点将收到的VXLAN报文解封装。

1.3.3 什么是VNI

VNI（VXLAN Network Identifier，VXLAN 网络标识符）是一种类似于VLAN ID的用户标识，用来体现差别的租户和差别的VXLAN网段（VXLAN Segment）。只有具有相同VNI，处于统一VXLAN网段的虚拟机才华通过VXLAN二层转发相互通讯，不然需要通过VXLAN三层转发通讯。VNI用一个24位二进制数体现，可以支持2^24个租户。

1.3.4 什么是VXLAN隧道

VXLAN隧道是在两个VTEP之间完成VXLAN封装报文传输的逻辑隧道，是Overlay层面的传输链路。营业报文在进入隧道时举行VXLAN头、UDP头和IP头封装后，通过Underlay网络的三层转发透明地将封装后的报文传输给远端VTEP，再由远端VTEP对其举行出隧道解封装处置惩罚。VXLAN隧道使得差别VTEP上的相同VNI的主机互通，VLAN中的Trunk则是使差别交流机上的相同VLAN中的主机互通。虽然二者作用有些相似，可是实质却有很大差别。VXLAN隧道是虚拟链路，传输的是封装后的UDP报文，而Trunk链路是物理链路，传输的是帧头刷新后的数据帧。

1.3.5 什么是VXLAN网关
VXLAN网关的功效是凭证VXLAN报文内层的IP举行三层转发，充当VXLAN网络内虚拟机的网关，类似于局域网中的网关装备，实现跨网段通讯功效。设置VXLAN网关之后，便可以构建Overlay层面的三层网络，实现VXLAN子网之间的跨网段通讯和Internet会见。

VXLAN网关上必需拥有VXLAN路由接口，类似于VLAN网络中的SVI（Switch Virtual Interface，交流机虚拟接口）。VXLAN路由接口和VXLAN实例逐一对应，VXLAN路由接口认真VXLAN实例内所有三层营业数据的转发事情。

1.3.6 什么是VXLAN实例

VXLAN实例是基于VXLAN的Overlay网络上的一个节点，类似于VLAN实例，处置惩罚一个VNI内的报文转发。该节点可以在Overlay网络实现MAC地址学习和泛洪等古板的二层交流功效，在被指定为VXLAN网关（设置VXLAN路由接口）后也可以举行三层转发。在统一台装备上，VXLAN实例和VNI为逐一对应关系。

1.3.7 VXLAN网络看法图示

上文中我们先容了大宗VXLAN相关的看法，现在我们以架构图的方法泛起，便于各人能够明确VXLAN内各个元素之间的关系。

图1-9 VXLAN看法图示

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如图1-9所示，图中是一个集中式网关的拓扑图，其中一共有三台物理装备，两台交流装备和一台网关装备。我们从左侧最先逐一先容每个元素。

(1)虚拟机通过OVS接入交流装备。

(2)交流装备通过子接口或者是VLAN ID方法识别差别网段虚拟机流量，并与对应的VXLAN实例举行绑定。

(3)VXLAN实例与VNI逐一对应，认真处置惩罚对应VNI的数据转发。

(4)VTEP与VTEP之间建设了VXLAN隧道。VXLAN隧道通过与VXLAN实例绑定，从而能够传输该VXLAN实例的VXLAN报文。吸收端通过VXLAN报文的VNI将数据移交给对应的VXLAN实例。

(5)VXLAN网关的VXLAN实例绑定了VXLAN路由接口，认真该VNI的三层转发。

相关链接

无线CAPWAP隧道手艺——理论篇

无线CAPWAP隧道手艺——实践篇

基于EVPN的漫衍式VXLAN实现计划

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