VXLAN详解

Posted 2022-08-08 神.秘.人

VXLAN

• 1、VXLAN简介
• 2 、背景
• 3、 概念
• 4、技术原理
• • 4.VXLAN报文封装格式
  • 4.2 相关术语
  • 4.3 运行机制
  • • 4.3.1 ARP和MAC表项的学习过程
    • 4.3.2 VM1和VM2互访过程
    • 4.3.3 VXLAN三层网关
    • • 4.3.3.1 VXLAN 集中式三层网关
      • 4.3.3.2 VXLAN分布式三层网关
      • 4.3.3.3对比关系表

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1、VXLAN简介

VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟扩展局域网）

2 、背景

随着数据中心发展，数据中心网络中存在以下几个问题

问题	描述
VLAN数量不足	4094(传统VLAN 的tag位只有12bit)个VLAN在云计算数据中心有可能是不够的
虚拟化部署带来的大二层需求	虚拟机的动态迁移一直限定在二层网络中，无法在不同网段之间迁移 大二层的需求带来了防环路问题：原有的STP无法满足数据中心大二层的需求
多租户IP地址冲突问题	云数据中心通过主机虚拟化需要为不同的用户提供服务，而用户可能使用相同的IP地址，为了隔离用户流量，需要添加额外网关、地址翻译、VPN等技术，增加了组网的复杂性
基于IP子网区域划分极大限制了虚拟机动态迁移功能	在传统基于IP子网区域划分，虚拟机如果跨三层迁移后，网关需要发生变化必然会导致较长时间的业务中断，这个在传统的组网中是无法调和的矛盾

3、 概念

序号	描述
1	是一种隧道技术，能在三层网络的基础上建立二层以太网网络隧道，从而实现跨地域的二层互连
2	是一种基于IP网络、采用“MAC in UDP”封装形式的二层VPN技术
3	是一种在三层网络上构筑虚拟化二层的技术
4	VXLAN可以基于已有的服务提供商或企业IP网络，为分散的物理站点提供二层互联，并能够为不同的租户提供业务隔离
5	VXLAN主要应用于数据中心网络和园区接入网络

4、技术原理

4.VXLAN报文封装格式

特点	描述
建立在物理IP网络之上的覆盖网	使用UDP封装完整的内层以太报文 共50字节的封装报文头
24比特长度的VNI（VXLAN网络标识符 ）	最大支持超过1600万个虚拟网络
可跨越物理三层网络
利用ECMP（等价多路径负载均衡）	对不同数据流使用不同的UDP源端口
VTEP（VXLAN Tunnel End Point）隧道端点	有自己的IP地址，对报文进行L2/L3转发，并进行VXLAN封装/解封装

4.2 相关术语

名称	描述
VXLAN（Virtual extensible LAN，可扩展虚拟局域网络）	采用“MAC in UDP”实现的二层VPN技术。属于相同VXLAN的虚拟机处于同一个逻辑二层网络，彼此之间二层互通；属于不同VXLAN的虚拟机之间二层隔离。VXLAN通过VXLAN ID来标识，VXLAN ID又称VNI（VXLAN Network Identifier，VXLAN网络标识符），其长度为24比特
VTEP（VXLAN Tunnel End Point，VXLAN隧道端点）	VXLAN的边缘设备。VXLAN的相关处理都在VTEP上进行，例如识别以太网数据帧所属的VXLAN、基于VXLAN对数据帧进行二层转发、封装/解封装报文等。VTEP可以是一台独立的物理设备，也可以是虚拟机所在的服务器
VSI（Virtual Switch Instance，虚拟交换实例）	VTEP上为一个VXLAN提供二层交换服务的虚拟交换实例。VSI可以看作是VTEP上的一台基于VXLAN进行二层转发的虚拟交换机，它具有传统以太网交换机的所有功能，包括源MAC地址学习、MAC地址老化、泛洪等。VSI与VXLAN一一对应
VXLAN隧道	两个VTEP之间的点到点逻辑隧道。VTEP为数据帧封装VXLAN头、UDP头和IP头后，通过VXLAN隧道将封装后的报文转发给远端VTEP，远端VTEP对其进行解封装
核心网络设备	IP核心网络中的设备。核心设备不参与VXLAN处理，仅需要根据封装后报文的目的IP地址对报文进行三层转发
用户终端（Terminal）	用户终端设备可以是PC机、无线终端设备、服务器上创建的VM（Virtual Machine，虚拟机）等。不同的用户终端可以属于不同的VXLAN。属于相同VXLAN的用户终端处于同一个逻辑二层网络，彼此之间二层互通；属于不同VXLAN的用户终端之间二层隔离

4.3 运行机制

序号	过程
1	创建本地VSI（虚拟转发实例），发现远端VTEP，在VTEP之间建立VXLAN隧道，并将VXLAN隧道与VXLAN关联
2	识别接收到的报文所属的VXLAN，以便将报文的源MAC地址学习到VXLAN对应的VSI，并在该VSI内转发该报文
3	学习用户终端的MAC地址
4	根据学习到的MAC地址表项转发报文

4.3.1 ARP和MAC表项的学习过程

4.3.2 VM1和VM2互访过程

4.3.3 VXLAN三层网关

4.3.3.1 VXLAN 集中式三层网关

spine和leaf都作为网络的VTEP，spine作为VXLAN三层网关，leaf作为VXLAN二层网关，在spine和leaf直接搭建VXLAN隧道，即可实现不同部门的VM互访以及互联网的访问

4.3.3.2 VXLAN分布式三层网关

只有leaf作为网络的VTEP，leaf同时作为VXLAN二层网关和VXLAN三层网关，这样就能使得该leaf下不同部门的互访，接着在不同leaf之间建立VXLAN三层隧道，通过BGP的remote-nexthop属性下发本网关下挂的主机路由信息给其他BGP邻居，即可实现跨leaf节点不同部门间VM的通信

4.3.3.3对比关系表