网络协议学习：虚拟可扩展局域网VxLAN

简介

VxLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟可扩展局域网），是一种虚拟化隧道通信技术。它是一种 Overlay技术。

• 隧道技术：类似于之前写过的GRE隧道技术，VxLAN也是一种隧道技术。相当于在底层物理网络上，借助UDP层构建逻辑网络
• Overlay技术：覆盖网络技术，VxLAN是数据中心三大Overlay技术之一

Overlay技术简介

Overlay技术是一种网络架构上叠加的虚拟化技术模式，其大体框架是对基础网络不进行大规模修改的条件下，实现应用在网络上的承载，并能与其它网络业务分离，并且以基于IP的基础网络技术为主。Overlay技术是在现有的物理网络之上构建一个虚拟网络，上层应用只与虚拟网络相关。

在虚拟化云计算的场景下，一种普遍存在的需求是：虚拟机在数据中心任意网络位置之间都可以无感知迁移。但是由于物理方面的限制，这种前移在不借助一些技术的前提下是难以完成的。
容易理解的来说，Overlay技术是通过点到多点的隧道封装协议，完全忽略中间网络的结构和细节，把整个中间网络虚拟成一台“巨大无比的二层交换机”，常被称为所谓的“大二层”。从而，可以构建出自己的逻辑网络。

VxLAN

背景和需求

随着云上网络的发展，传统的物理意义上的网络会产生以下的问题：

1. 虚拟机规模受MAC表大小限制。随着云上虚拟机数量的增多，MAC地址也呈现爆炸式的增长，但是交换机的内存总是有限的，无法无限扩展MAC表。
2. 虚拟机需要能够进行迁移，且在迁移的过程中保证业务不中断。这就要求虚拟机迁移前后的IP地址、MAC地址、运行状态等状态不变。这就决定了虚拟机迁移必须发生在一个二层域中。例如在使用VLAN的传统网络拓扑中，如果要在VLAN 100部署虚拟机，那只能在支持VLAN 100的物理设备上部署。这就大大限制了迁移，例如无法在跨可用区或者跨Region的迁移。
3. 传统网络的隔离能力有限，VLANID采用12比特进行区分，最多支持4000多个VLAN

VxLAN网络模型

主要有以下几个成员：

• VETP（VxLAN Tunnel Endpoints，VxLAN 隧道端点）
  VETP是VxLAN 网络的边缘设备，用来进行 VxLAN 报文的处理（封包和解包）。VTEP 可以是网络设备（比如交换机），也可以是一台机器（比如虚拟化集群中的宿主机）。
• VNI（VxLAN Network Identifier，VxLAN 网络标识符）
  VNI 是每个VXLAN 段的标识，24位，也就是一千多万。也就是说使用 VxLAN 搭建的公有云可以理论上可以支撑千万级别的租户。
• Tunnel（VxLAN 隧道）
  是建立的逻辑上的信道

上图可以看出，创建在原来的 IP 网络上，只要是能够通过 IP 相互通信，就能部署 VxLAN。在 VxLAN 网络的每个端点都有一个 VTEP 设备，负责 VxLAN 协议报文的解包和封包，也就是在虚拟报文上封装 VTEP 通信的报文头部。
这样在物理网络上就可以创建多个VxLAN网络，不同节点的虚拟机能够通过隧道直连，通过VNI对隧道进行标识。

报文结构

图源：VXLAN 基础教程：VXLAN 协议原理介绍

内容	含义
Origin Frame	原始报文/内层报文
VxLAN Header	8 字节，其中最主要的是 VNID，占用 3 个字节（即 24 bit）
UDP Header	在 VXLAN 和原始二层帧的前面使用 8 字节 UDP 头部进行封装（MAC IN UDP），目的端口号缺省使用 4789，源端口按流随机分配（通过 MAC，IP，四层端口号进行 hash 操作）
Outer IP Header	宿主机的IP头部，20字节
Outer MAC Header	宿主机的MAC头部，14字节

VTEP

VTEP有自己的转发表，转发表通过泛洪和学习机制来维护，对于目标MAC地址在转发表中不存在的未知单播，广播流量，都会被泛洪给除源VTEP外所有的VTEP。
目标VTEP响应数据包后，源VTEP会从数据包中学习到MAC，VNI和VTEP的映射关系，并添加到转发表中，后续当再有数据包转发到这个MAC地址时，VTEP会从转发表中直接获取到目标VTEP地址，从而发送单播数据到目标VTEP。
一个VxLAN报文需要确定两个地址信息：目的虚拟机的 MAC 地址和目的VTEP的 IP 地址，如果VNI也是动态感知的，那么VTEP就需要一个三元组：

内部MAC	VNI	VTEP IP

根据实现的不同，一般分为两种方式：

• 多播：同一个VxLAN网络的VTEP加入同一个多播网络
  
• 控制中心：一个集中式的组件控制所有上述信息
  

需求解决

1. 虚拟机规模受MAC表大小限制
   既然无法无限扩展MAC表，就可以把大量VM的MAC地址隐藏起来。VTEP会将VM发出的原始报文封装成一个新的UDP报文，并使用物理网络的IP和MAC地址作为外层头，对网络中的其他设备只表现为封装后的参数。也就是说，网络中的其他设备看不到VM发送的原始报文。同样，VETP也不需要学习VM的MAC地址。
2. 虚拟机需要能够进行迁移，且在迁移的过程中保证业务不中断
   为了保证业务不中断，VM的迁移就必须发生在同一个二层域内。而VxLAN正是在三层网络上，构建一个无限大的二层网络。只要IP可达，这个大二层网络想做多大做多大。
3. 传统网络的隔离能力有限
   VNI由24位构成，理论上可以支撑千万租户

参考

深度好文：vxlan介绍
VXLAN 基础教程：VXLAN 协议原理介绍
vxlan 协议原理简介
简析数据中心三大Overlay技术