vxlan理论基础

Posted 2021-02-16

vxlan理论基础

1、 vxlan优势；
1）、解决VLAN Tag域只有12比特的限制，通过24比特的VNI可以支持多达16M的VXLAN段的网络隔离，对用户进行隔离和标识不再受到限制，可满足海量租户。
2）、除VXLAN网络边缘设备，网络中的其他设备不需要识别虚拟机的MAC地址，减轻了设备的MAC地址学习压力，提升了设备性能。
3）、采用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。

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2、 vxlan基本概念；
1）、Underlay网络和Overlay网络：
将已有的物理网络作为Underlay网络，在其上构建出虚拟的二层或三层网络，即Overlay网络。（即：建立VXLAN隧道的基础网络称为Underlay网络，VXLAN隧道所承载的业务网络称为Overlay网络。）
Overlay网络通过封装技术、利用Underlay网络提供的三层转发路径，实现租户报文在不同站点间传递。对于租户来说，Underlay网络是透明的，只能感知到Overlay网络。

2）、NVE（Network Virtualization Edge）：
网络虚拟边缘节点NVE，实现网络虚拟化功能的网络实体。报文经过NVE封装转换后，NVE间就可基于三层基础网络建立二层虚拟化网络。
注：设备和服务器上的虚拟交换机VSwitch都可以作为NVE。

3）、VTEP（VXLAN Tunnel Endpoints）：
VTEP是VXLAN隧道端点，封装在NVE中，用于VXLAN报文的封装和解封装。
VTEP与物理网络相连，分配有物理网络的IP地址，该地址与虚拟网络无关。
VXLAN报文中源IP地址为本节点的VTEP地址，VXLAN报文中目的IP地址为对端节点的VTEP地址，一对VTEP地址就对应着一个VXLAN隧道。

4）、VNI（VXLAN Network Identifier）：
网络标识，类似VLAN ID，用于区分VXLAN段，不同VXLAN段的虚拟机不能直接二层相互通信。

5）、BD（Bridge Domain）：
VXLAN网络中转发数据报文的二层广播域。
在VXLAN网络中，将VNI以1:1方式映射到广播域BD，BD成为VXLAN网络转发数据报文的实体。

6）、VBDIF接口：
基于BD创建的三层逻辑接口。
通过VBDIF接口配置IP地址可实现不同网段的VXLAN间，及VXLAN和非VXLAN的通信，也可实现二层网络接入三层网络。

7）、VAP（Virtual Access Point）：
虚拟接入点VAP，即VXLAN业务接入点，可以是二层子接口或VLAN。

8）、网关（Gateway）：
和VLAN类似，不同VNI之间的VXLAN，及VXLAN和非VXLAN之间不能直接相互通信。为了使VXLAN之间，以及VXLAN和非VXLAN之间能够进行通信，VXLAN引入了VXLAN网关。
Vxlan网关分类：
a、二层网关：用于解决租户接入VXLAN虚拟网络的问题，也可用于同一VXLAN虚拟网络的子网通信。
b、三层网关：用于VXLAN虚拟网络的跨子网通信以及外部网络的访问。

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3、 vxlna报文格式；

1）、VXLAN header：
a、VXLAN Flags：8比特，取值为00001000。
b、VNI：VXLAN网络标识，24比特，用于区分VXLAN段。
c、Reserved：24比特和8比特，必须设置为0。
2）、Outer UDP header：
a、DestPort：目的UDP端口号是4789。
b、Source Port：源端口号是内层报文通过哈希算法计算后的值。
3）、Outer IP header：
a、IP SA：源IP地址是VXLAN隧道本端VTEP的IP地址。
b、IP DA：目的IP地址是VXLAN隧道远端VTEP的IP地址。
4）、Outer Ethernet header：
a、MAC DA：在发送报文的虚拟机所属VTEP上根据目的VTEP地址查找路由表，路由表中下一跳IP地址对应的MAC地址。
b、MAC SA：发送报文的虚拟机所属VTEP的MAC地址。
c、802.1Q Tag：可选字段，该字段为报文中携带的VLAN Tag。
d、Ethernet Type：以太报文类型。

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4、 vxlan三层网关部署方式；
1）、集中式网关部署：

优点：对跨子网流量进行集中管理，网关的部署和管理比较简单。
缺点：转发路径不是最优、ARP表项规格瓶颈。

2）分布式网关部署：

VXLAN分布式网关是指在典型的“Spine-Leaf”组网结构下，将Leaf节点作为VXLAN隧道端点VTEP，每个Leaf节点都可作为VXLAN三层网关，Spine节点不感知VXLAN隧道，只作为VXLAN报文的转发节点。
Vxlan分布式网关特点：
a、同一个Leaf节点既可以做VXLAN二层网关，也可以做VXLAN三层网关，部署灵活。
b、Leaf节点只需要学习自身连接服务器的ARP表项，而不必像集中三层网关一样，需要学习所有服务器的ARP表项，解决了集中式三层网关带来的ARP表项瓶颈问题，网络规模扩展能力强。

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5、 E×××基本原理；
E×××（Ethernet Virtual Private Network）是一种用于二层网络互联的×××技术。
E×××通过扩展BGP协议新定义了几种BGP E×××路由，这些BGP E×××路由可以用于传递VTEP地址和主机信息，E×××应用于VXLAN网络中，可以使VTEP发现和主机信息学习从数据平面转移到控制平面。

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6、 BGP E×××路由
1）、Type2路由——MAC/IP路由：

Route Distinguisher：该字段为E×××实例下设置的RD（Route Distinguisher）值。
Ethernet Segment Identifier：该字段为当前设备与对端连接定义的唯一标识。
Ethernet Tag ID：该字段为当前设备上实际配置的VLAN ID。
MAC Address Length：该字段为此路由携带的主机MAC地址的长度。
MAC Address：该字段为此路由携带的主机MAC地址。
IP Address Length：该字段为此路由携带的主机IP地址的掩码长度。
IP Address：该字段为此路由携带的主机IP地址。
MPLS Label1：该字段为此路由携带的二层VNI。
MPLS Label2：该字段为此路由携带的三层VNI。

Type2路由在vxlan控制平面中的作用：
1、主机MAC地址通告：
要实现同子网主机的二层互访，两端VTEP需要相互学习主机MAC。作为BGP E×××对等体的VTEP之间通过交换MAC/IP路由，可以相互通告已经获取到的主机MAC。其中，MAC Address Length和MAC Address字段为主机MAC地址。
2、主机ARP通告：
MAC/IP路由可以同时携带主机MAC地址+主机IP地址，因此该路由可以用来在VTEP之间传递主机ARP表项，实现主机ARP通告。
3、主机IP路由通告：
在分布式网关场景中，要实现跨子网主机的三层互访，两端VTEP（作为三层网关）需要互相学习主机IP路由。作为BGP E×××对等体的VTEP之间通过交换MAC/IP路由，可以相互通告已经获取到的主机IP路由。其中，IP Address Length和IP Address字段为主机IP路由的目的地址，同时MPLS Label2字段必须携带三层VNI。此时的MAC/IP路由也称为IRB（Integrated Routing and Bridge）类型路由。
注：ARP类型路由携带的有效信息有：主机MAC地址+主机IP地址+二层VNI；IRB类型路由携带的有效信息有：主机MAC地址+主机IP地址+二层VNI+三层VNI。因此，IRB类型路由包含着ARP类型路由，不仅可以用于主机IP路由通告，也能用于主机ARP通告。

2）、Type3路由——Inclusive Multicast路由：

由前缀和PMSI属性组成，各字段解释如下：
Route Distinguisher：该字段为E×××实例下设置的RD（Route Distinguisher）值。
Ethernet Tag ID：该字段为当前设备上的VLAN ID。在此路由中为全0。
IP Address Length：该字段为此路由携带的本端VTEP IP地址的掩码长度。
Originating Router‘s IP Address：该字段为此路由携带的本端VTEP IP地址。
Flags：该字段为标志位，标识当前隧道是否需要叶子节点信息。在vxlan场景中，该字段没有实际意义。
Tunnel Type：该字段为此路由携带的隧道类型。
MPLS Label：该字段为此路由携带的二层VNI。
Tunnel Identifier：该字段为此路由携带的隧道信息。目前，在VXLAN场景中，该字段也是本端VTEP IP地址。

该类型路由在VXLAN控制平面中主要用于VTEP的自动发现和VXLAN隧道的动态建立。作为BGP E×××对等体的VTEP，通过Inclusive Multicast路由互相传递二层VNI和VTEP IP地址信息。其中，Originating Router‘s IP Address字段为本端VTEP IP地址，MPLS Label字段为二层VNI。如果对端VTEP IP地址是三层路由可达的，则建立一条到对端的VXLAN隧道。同时，如果对端VNI与本端相同，则创建一个头端复制表，用于后续BUM报文转发。

3）、Type5路由——IP前缀路由：

Route Distinguisher：该字段为E×××实例下设置的RD（Route Distinguisher）值。
Ethernet Segment Identifier：该字段为当前设备与对端连接定义的唯一标识。
Ethernet Tag ID：该字段为当前设备上实际配置的VLAN ID。
IP Prefix Length：该字段为此路由携带的IP前缀掩码长度。
IP Prefix：该字段为此路由携带的IP前缀。
GW IP Address：该字段为默认网关地址。该字段在VXLAN场景中没有实际意义。
MPLS Label：该字段为此路由携带的三层VNI。

该类型路由的IP Prefix Length和IP Prefix字段既可以携带主机IP地址，也可以携带网段地址：
1、当携带主机IP地址时，该类型路由在VXLAN控制平面中的作用与IRB类型路由是一样的，主要用于分布式网关场景中的主机IP路由通告。
2、当携带网段地址时，通过传递该类型路由，可以实现VXLAN网络中的主机访问外部网络。