让人懵懂的云网络，里面原来是这些

Posted 2023-02-15 vigor2323

在云里面，虚机是虚拟出来的，容器是虚拟出来的，存储是虚拟出来的，网络也是虚拟出来的。

很多人不明白，网络是怎么虚拟出来的？都虚拟了什么？

本文大致讲一下云内的网络是什么样的。

注：本文是针对IT人的科普文章，读者最好有一定的网络基础知识，比如最好知道这些术语：交换机、路由器、网关、负载均衡。 注：本文只是帮助建立起最基本的概念，所以无意说太多。

让人懵懂的云网络

一、云网络里都有啥

我们先从最能直观感受的VPC来说，然后说说里面的子网和其它。

1、VPC：用户拥有的网络

VPC（Virtual Private Cloud）的正规叫法是“虚拟私有云”，但更多被人们称为“虚拟私有网络”或“虚拟网络”。

之所以这么叫，是因为VPC给了用户一个完整独占的网络（Network），然后在这个网络上，用户创建子网、VM、存储等虚拟资源，才形成一个私有的云。

不同的VPC在网络上是完全隔离的，他们可以使用同样的IP段，而不用担心IP冲突的问题。

创建VPC很容易，比如在AWS，点击“创建VPC”就可以了。

在AWS创建一个VPC

在某云平台，创建VPC的设置界面为：

在某平台创建VPC

可以看到，里面要填的网段地址，是所有可能的私网IP网段，虽然都在一个云里，你完全不用考虑别人是不是已经占用了什么网段。你只需要考虑的是：如果你申请了多个VPC，而且又要它们互通，那就要规划一下，不要让它们有IP冲突。

创建VPC时要选择的“地域”，就是人们常说的Region，是指一朵云内的某个地域（通常是不同物理地点，比如北京、上海、深圳、杭州等地）。

一朵云里可以有若干个Region，不同Region的物理资源（计算、存储、网络）是完全独立和不共享的。

一个Region里面可以创建多个VPC。

一个VPC内又可创建多个子网（Subnet）。

一个子网内，可以有多个虚机（VM）。

在一些云平台里，如果你不创建VPC而是直接申请虚机，云平台会自动给你创建VPC及子网。

2、子网：虚机的栖息地

子网（Subnet）独占VPC中的一个IP地址段，和同一VPC中其他子网不共享。

虚机（VM）总是位于某个子网，并从中获得IP地址。一个子网内的多个VM可以分布在多台宿主机上。

创建子网很简单，选择所在的“可用区”，定义IP段（即CIDR）和网关地址就可以了。

创建子网

这里面又出现一个新概念：可用区，这就是人们常说的AZ（Available Zone）。

可以简单将AZ理解为机房，即一个Region有多个机房，每个机房就是一个AZ。不同AZ使用不同的电力和制冷，使用独立的计算、存储和网络资源（但网络是互通的）。这样，即便一个AZ不可用了，另一个还是可用的。

一个子网内的不同虚机，可以在一个AZ中，也可以在不同的AZ中。

下图示意了Region、AZ、VPC、子网的简单逻辑关系。

Region、AZ、VPC、Subnet的关系

子网内的VM缺省是可以互相通信的，原因是它们都接在虚拟交换机（vSwitch）上。

具体而言，VM通过虚拟网卡（vNIC）和虚拟网线（veth pair）接在vSwitch的虚拟端口（vPort）上。

在有的云平台上（比如阿里云），并不向用户展示子网的概念，而是直接用虚拟交换机指代子网。

VPC、子网、vSwitch和VM的简单逻辑关系示意如下：

VPC、子网、vSwitch及VM

vSwitch是由OVS（Open vSwitch）技术实现的，OVS是分布式技术，分布在多台宿主机上。

OVS提供分布式虚拟交换机功能

注：本文主要介绍的是VM，对于容器，可以和VM一样，获得独立的同子网IP，也可以规划新的IP段，本文不再深入介绍，可参考文末链接17。

子网内部的通信就是二层通信，如果要和子网外部通信，就需要虚拟路由器（vRouter）了。

3、虚拟路由器：子网和外部通信的途径

在同一子网内的VM，都是在二层通信的。当子网内VM需要访问其他子网（同一VPC或是不同VPC）的VM，或者访问外部网络，就需要三层互通。

虚拟路由器（vRouter）就是干这事的，还记得创建子网时要填的那个“网关地址”吧，“网关地址”就是vRouter的一个接口地址。

创建VPC时，云平台会自动给你一个vRouter，不用专门去创建这个。

和vSwitch一样，vRouter也是通过虚机实现的；而且和OVS一样，vRouter也有分布式解决方案，叫DVR（Distributed Virtual Router）。

VPC由于是虚拟私有网，所以VPC之间天生就是互相隔离的，想让两个VPC互通，需要在它们之间建立“对等连接”，然后就能互通了。当然，前提是两个VPC的地址空间没有重叠。

通常情况下，“对等连接”不能跨Region，如果一个VPC要连接不同Region的另一个VPC，要在云平台中配置“云连接”来实现，这个我们后面会讲。

比如在某平台，建立“对等连接”，选择要互通的VPC即可；

创建VPC示意

虚拟路由器示意

刚才说的都是互通，下面我们看看怎么隔离。

4、网络ACL和安全组：云原生的安全控制

云网络内置了两种比较简单灵活的安全控制方法，一种是针对子网的网络ACL，一种是针对虚机的安全组。两者的控制位置和方法略有不同，可以组合使用。

比如可以对某子网建立如下网络ACL规则，拒绝所有对TCP 445端口的入站访问，也即，没有任何流量可以访问该子网内任一VM的TCP 445端口。

拒绝所有445端口的TCP入站连接

从逻辑拓扑上讲，网络ACL位于路由器和子网之间。

网络ACL的逻辑示意

另一种隔离机制是安全组。

用户可以建多个安全组，每个VM可以选择划入多个安全组，然后该VM就受这些安全组策略的保护了。

将某VM实例绑定到某安全组上

安全组（Security Groups）可以指定具体的入向和出向流量规则，如下图所示。

新建安全组规则

一个安全组里的VM，可以不在一个子网里，也可以不在一个VPC中，如下图所示。

安全组逻辑示意

简单地说，网络ACL是针对子网的，安全组是针对虚机的。

安全组以前多使用Linux bridge中的iptables实现，现在多使用OVS的流表技术实现。

在有的云平台中，将网络ACL和安全组合二为一提供给用户，不再区分这两种概念。

5、微隔离：更精细更通用的隔离

微隔离（Micro-Segmentation）是更细粒度的网络隔离技术，能够对物理机、虚拟机、容器之间东西流量进行隔离。它的原理是安装agent，然后通过主机防火墙（如iptables）进行控制。对于物理机和虚拟机，这很容易做到，对于容器，agent以k8s网络插件的形式出现，实现对各容器的网络转发和控制。

微隔离主要分为策略控制中心和策略执行单元，前者是大脑，下发策略，后者执行策略。前者实现可视化和集中管理能力，按角色、业务功能等多维度的标签对需要隔离对象进行分组，后者执行流量监测和隔离。

不过，要了解一点，微隔离并不是云厂商提供的服务，也并不是云原生的，通常是第三方实现的。

6、vFW和vLB：虚拟防火墙和虚拟负载均衡

有人说，都有了网络ACL了，还需要虚拟防火墙（vFW）吗？

网络ACL是针对子网的保护；vFW是针对VPC的保护，保护的层面不一样。

而且，专业性不同。网络ACL是无状态的，不能跟踪网络协议的状态，仅仅用于放行或拦截IP/端口，不能做到比较高级和专业的应用层防护。而vFW可以做到和传统防火墙一样强大的功能。

vFW通常是用虚机实现的，出于性能考虑，可以用硬件防火墙替代vFW，将硬件下挂在VxLAN网关（此网关也可以用硬件）下使用。

有的厂商将自己的网络ACL称为vFW，要注意区分开来。

虚拟负载均衡（vLB）也是用虚机实现的，提供第四层负载均衡，通常底层使用LVS（Linux Virtual Server）技术。

此外，云原生中还有第七层的LB，通常是API网关干这事（比如通过nginx）。

下图是在云内创建vLB的图示：

vLB的创建示例

增加vFW和vLB后，云网络的示意图为：

增加vFW和vLB后的VPC逻辑示意

7、网关：通往外部世界

网关（Gateway）可以实现子网和外部网络的连接。

网关有多种，比如NAT网关、互联网网关、专线网关、VPN网关等。

NAT网关 (NGW) 用于没有公共IP的VM访问互联网，互联网网关 (IGW) 用于有公共 IP 的VM访问互联网。

以NAT网关为例，用户在控制台创建“NAT网关”并给网关绑定一个EIP（弹性公网IP），然后，做一下NAT设置，就可以让子网内的VM连接互联网了。

NAT网关实例示意

网关可以用虚机实现。出于性能考虑，有些厂商会用硬件网络设备实现，比如L3GW（Layer 3 Gateway），或者在服务器上安装智能网卡（SmartNIC或称FAC，function accelerate card）实现。

8、云连接：把云网络和企业DC连起来

云连接（Cloud Connect）不仅提供跨Region的VPC连接，更提供云上和云下的连接，比如公有云和企业DC的连接。

常见的云连接有两种形式：VPN、云专线（Direct Connect）；前者走互联网，后者走物理专线；前者通过VPN网关，后者通过专线网关。

企业如果有私有云，可以通过云连接，让公有云和私有云打通形成混合云。

下图是本文所介绍网络组件的集合图示。

含云连接的云网络示意图

其中，Region1和Region2通过云专线建立连接；Region1通过云专线，Region2通过VPN，和企业的DC建立连接。

二、虚拟网络背后的技术

虚拟网络的背后，有很多技术，本文主要介绍SDN技术和VxLAN技术。

1、SDN

传统的网络设备是分布式和去中心化的，每台设备可以通过自主学习和人工配置，可以知道如何转发数据包，而不需要一个集中式的控制设备。

我原以为网络就应该是这样的，但当我弄明白SDN之后，大吃一惊，居然还能从分布式又走回集中式？这大概就是否定之否定吧。

SDN像是控制各网络设备的大脑，它去命令各设备如何转发数据包，而不再需要各设备自己学习。这个大脑的实体就是SDN控制器。

SDN为什么要把分布式改为集中式呢？我觉得，搞软件的人实在懒得去一台一台设备登录上去搞配置了，太麻烦，要想真正地自动化，要想真正地全局统筹，就得用软件集中管理。

所以，SDN这个词本身就是软件定义网络（Software Defined Network），用软件的方式把大量复杂难搞的硬件网络设备安排地明明白白。

在虚拟网络里，vSwitch和vRouter这些设备，通常都不用登录上去敲命令（虽然也可以这么做），而是通过云平台配置。云平台通过API和SDN控制器交互，SDN控制器计算并下发转发表到vSwitch和vRouter，完成配置。

SDN原理示意

说到这里，还要介绍一下常见的Overlay概念，所谓Overlay，是在传统的物理网络（Underlay）基础之上，构建出一个虚拟的逻辑网络。从技术上讲，Overlay的二层数据包封装在物理网络的三层报文中传输，到达目的地之后再解封装得到Overlay的二层报文。实际上，这就是一种“L2 over L3”的隧道封装技术。这方面的协议比较多，主要有VxLAN（L2 over UDP）、NVGRE（L2 over GRE）、STT(L2 over TCP)等，但VxLAN占明显优势。

总之，当你看到或听到“逻辑网络”、“业务网络”，你应该知道这说的就是Overlay，当你看到或听到“物理网络”、“底层网络”时，就知道这说的是Underlay。

2、VxLAN

VxLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟可扩展局域网）是实现Overlay网络的主流技术，正是通过VxLAN，才实现了VPC（包括子网）的完美隔离。

大体而言，就是VM之间交互的数据包，在离开vSwitch时会加上封装，形成隧道，不同子网带有不同的隧道号标识。解隧道封装的时候，看到隧道号不对，就会抛弃，这样不同子网内的虚拟机无法进行直接通信（除非做了路由），这就实现了隔离。

VxLAN不仅解决了隔离的问题，还解决了传统二层技术（如VLAN）难以解决的大规模二层互连的问题，由于通过三层传输，虚机的部署和迁移就不受二层物理网络限制了。

VxLAN是怎么将L2 over在L3之上呢，答案是：将以太网帧封装在UDP包中。

VxLAN的包结构

如上图所示，Overlay的二层数据帧被封装在三层的IP包中（精确的说，是四层的UDP报文中），封装的头部是VxLAN Header，里面的主要内容就是24bit的VNI（VxLAN ID），每个子网都有一个VNI，这样即便是同一台主机上的两台VM，即便处于同一IP段，只要他们在不同的子网，就无法通信，因为子网的OVS看见不同的VNI就会抛弃掉。

做封装和解封装的端点被称为VTEP，它同时也就是VxLAN隧道的起点和终点。VTEP通常是由OVS实现的，子网中VM向外发出的二层报文，会由OVS进行封装，做成UDP包发出；同时OVS会在UDP特定端口监听，收到VxLAN报文后，如果VNI正确，则去掉封装，将封装前的二层报文转发给相应的VM。

对于裸金属（云管理的物理机）而言，由于它没有OVS，它的Overlay通信要通过VxLAN网关（承担VTEP功能）实现，或者可以在物理机上插一块智能网卡，由智能网卡做VTEP。

VTEP有软件和硬件两种，前面讲的OVS就是软件VTEP，也有用硬件交换机做VTEP的。如果VTEP由软件完成，这种Overlay就叫Host Overlay；如果由硬件设备完成，就叫Network Overlay；如果都有，就叫混合Overlay。

对于Host Overlay而言，物理交换机网络中的Leaf和Spine仅进行IP报文的高速转发，不处理VxLAN报文。

Overlay和Underlay示意

上图中，VM1和VM2要通信的话（无论是否在同一子网），由OVS封装成VxLAN报文，由leaf和spine交换机进行物理传输；对于在同一台宿主机上的VM3和VM4，如果它们在同一VPC的同一子网，OVS就直接转发了（不走VxLAN）；如果是同一VPC的不同子网，也不用走VxLAN，由vRouter和OVS转发；但如果在不同VPC，就也要走VxLAN，因为不同VPC的隔离就是靠VxLAN实现的。

三、结语

如果你从来没接触过云网络，现在应该有一个大致的了解了。

简单地讲，就是软件工程师们，在物理网络之上，用纯软件的方式，又做了一个虚拟的网络。

这样，软件工程师摸的最少的网络硬件，也可以随心所欲地用软件定义了。

文｜卫剑钒

参考链接：
1. 公有云相关概念——region和AZ、VPC、安全组、公有云网络架构 https://www.cnblogs.com/yunjisuanchengzhanglu/p/16164376.html
2. 一文搞懂AWS Region, VPC, VPC endpoint，AZ, Subnet 基础篇上 https://zhuanlan.zhihu.com/p/360701963
3. 浅谈VPC二三，秒懂秒透 https://www.sdnlab.com/20510.html
4. 云产品相关网络概念学习Regison/AZ/VPC https://blog.csdn.net/qq_24433609/article/details/122846124
5. 这些基本概念都不懂，还谈什么你会VXLAN？ https://www.sohu.com/a/561265642_657867
6. 数据中心——Vxlan基本概念2 https://blog.csdn.net/m0_49864110/article/details/125265373
7. 我非要捅穿这 Neutron https://www.cnblogs.com/jmilkfan-fanguiju/p/10589719.html
8. OpenStack Neutron实现网络虚拟化 https://www.jianshu.com/p/7dc785c6c826
9. Neutron的VLAN实现模型 http://www.javaxks.com/?p=53958
10. OpenStack 安全组原理详解 https://iswbm.com/168.html
11. Linux VXLAN http://www.senlt.cn/article/121754251.html
12. OpenStack入门篇之VXLAN原理 https://www.cnblogs.com/linuxk/p/9455486.html
13. 深度好文：vxlan介绍 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1709356306036351889&wfr=spider&for=pc
14. OpenStack OVS实现安全组（五） https://blog.csdn.net/qq_20817327/article/details/107032223
15. 数据中心网络架构浅谈（三）https://zhuanlan.zhihu.com/p/30119950?utm_source=wechat_session&utm_id=0
16. 网络ACL简介 https://support.huaweicloud.com/usermanual-vpc/acl_0001.html
17. 一文看懂Amazon EKS中的网络规划 https://aws.amazon.com/cn/blogs/china/understand-the-network-planning-in-amazon-eks-in-one-article/