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VXLAN技术介绍:三层的网络来搭建虚拟的二层网络

VXLAN(Virtual Extensible LAN)虚拟可扩展局域网,是一种 overlay 网络技术,将原始2层以太网帧进行UDP封装 (MAC-in-UDP),增加8字节 VXLAN头部,8字节 UDP头部, 20字节 IP 头部和14字节以太网头部,共50字节。

作者:言炎言舌来源:今日头条|2018-10-24 10:26

一、VXLAN概述

1. 什么是 VXLAN

VXLAN(Virtual Extensible LAN)虚拟可扩展局域网,是一种 overlay 网络技术,将原始2层以太网帧进行UDP封装 (MAC-in-UDP),增加8字节 VXLAN头部,8字节 UDP头部, 20字节 IP 头部和14字节以太网头部,共50字节。

2. VXLAN优点

VXLAN与VLAN相比能够提供更好的扩展性和灵活性,主要有以下特点:

  • 应用灵活部署: 通过VXLAN封装后的2层以太网帧可以跨3层网络边界,让组网以及应用部署变得更加灵活,同时解决多租户网络环境中IP地址冲突问题。
  • 更好的扩展性: 传统 VLANID字段为12-bit,VLAN数量最大为4096;VXLAN使用24-bit VNID (VXLAN network identifier),最大支持 16,000,000 逻辑网络。
  • 提高网络利用率: 传统以太网使用 STP预防环路, STP导致网络冗余路径处于阻塞状态, VXLAN报文基于 3层 IP报头传输,能有效利用网络路径,支持 ECMP(equal-cost multipath )和链路聚合协议。

(1) 应用灵活部署

如图 1-1 所示,在 VXLAN环境中应用部署不受物理位置和3层网络边界限制,例如某应用的地址段为 192.168.1.0/24,在传统网络中所有该应用服务器或者虚拟机必须在同一 3层网络内部署,否则会产生路由或者地址冲突问题。

(2) 更好的扩展性

传统网络通过 VLAN将客户网络逻辑隔离, VLAN ID字段为 12-bit ,VLAN数量最大为 4096;VXLAN使用 24-bit VNID ( VXLAN network identifier ),最大支持16,000,000 逻辑网络,扩展性得到极大增强。

(3) 提高网络利用率

使用 VXLAN 后使用三层接口互联消除生成树阻塞端口

图 1-3 使用 VXLAN 后使用三层接口互联消除生成树阻塞端口

传统以太网帧无法穿越三层网络,部署 VXLAN后, VTEP之间数据基于三层寻址,网络互联接口不再是二层接口, 可以将交换机之间互联接口部署为三层模式,消除生成树阻塞端口,提高网络利用率,支持 ECMP(equal-cost multipath )和链路聚合协议。

二、VXLAN术语

1. VTEP

VXLAN

Tunnel Endpoint (VTEP)。VXLAN使用VTEP设备对VXLAN报文进行封装与解封装,包括ARP请求报文和正常的VXLAN数据报文,VTEP将原始以太网帧通过VXLAN封装后发送至对端 VTEP设备,对端VTEP接收到 VXLAN报文后解封装然后根据原始 MAC进行转发,VTEP可以是物理交换机、物理服务器或者其他支持 VXLAN的硬件设备或软件来实现。

2. VNI

Virtual Network ID ( VNI), VNI封装在 VXLAN头部,共 24-bit ,最大支持16,000,000 逻辑网络。

3. VXLAN 网关

VXLAN网关用于连接 VXLAN网络和传统 VLAN网络,VXLAN网关实现 VNI和VLAN ID 之间的映射, VXLAN 网关实际上也是一台 VTEP设备。

4. 组播组

VTEP设备要加入相同的组播组,主要用于控制平面地址学习。

三、VXLAN封装

VXLAN使用 UDP封装完整的以太网帧 (MAC-in-UDP),共 50 字节的封装报文头。具体的报文格式如下:

1. Inner MAC

Inner MAC,内层 MAC是原始以太网帧的 MAC地址。

2. VXLAN Header

共 8 个字节,目前使用的是 Flags 中的一个 8bit 的标识位和 24bit 的VNI(Vxlan Network identifier) ,其余部分没有定义,但是在使用的时候必须设置为 0x0000。

3. Outer UDP Header

共8个字节,IANA分配的标准目的端口使用 4798,但是各厂商可以根据需要进行修改,同时UDP的校验和必须设置成全 0。

4. Outer IP Header

共20个字节,目的IP地址可以是单播地址,也可以是多播地址。 单播情况下,目的IP地址是目的VTEP的 IP地址;当用于VXLAN控制平面时会使用多播地址。

Outer IP: 外层IP地址是经过VTEP封装后的3层IP地址,源IP是本端VTEP设备IP,用于控制平面时目的 IP 可以是多播地址,用于转发平面时目的 IP是远端 VTEP设备 IP。

5. Outer Ethernet Header

共计14个字节,外层以太网帧头部。Outer MAC,外层 MAC是经过 VTEP封装后的二层 MAC,源 MAC是本端 VTEP设备MAC,目的 MAC可以是远端 VTEP设备MAC或者传输路径中间 3 层网络设备 MAC。

四、VXLAN数据转发

1. 控制平面

在 VXLAN的实现中, 当通过组播实现控制平面路径发现时, VTEP设备之间使用无状态 tunnel ,VTEP设备之间不会维持状态化的长连接。 VXLAN需要通过控制平面学习远端设备地址信息, 在本地构建控制平面表项。 控制平面表项由 VNI、Inner Source MAC 、Outer Source IP 三元组组成。

2. 转发平面

控制平面学习地址映射信息后, 转发平面负责实际数据的转发。 VTEP为原始数据帧增加 UDP报头,新的报头到达目的 VTEP后才会被去掉,中间路径的网络设备只会根据外层包头内的目的地址进行数据转发。

3. VXLAN ARP请求

如上图所示,终端设备 A需要和终端设备 B通信, ARP请求过程如下:

  • 终端设备 A 发送 ARP请求,请求终端设备 B 的 MAC地址;
  • VTEP-1收到终端设备 A发送的 ARP请求,此时 VTEP-1还没有终端设备 B对应的地址映射表项, VTEP-1将 ARP请求进行 VXLAN封装, VNI 设置为10,outer-src-ip 是 VTEP-1的 IP ,outer-dst-ip 是加入的组播组地址,封装完成后转发至 VXLAN组播组;
  • VTEP-2、VTEP3加入相同的组播组,所有组成员都会收到 VTEP-1发送的组播报文,解封装后检查 VNI 与本地 VNI 是否匹配,如匹配将 ARP请求发送至本地网络,同时记录 VNI、inner MAC、outer IP 的对应关系,构建控制平面地址映射表项。如 VNI 不匹配则丢弃数据包。
  • 终端设备 B 收到 ARP请求后以单播方式发送 ARP响应;
  • VTEP-2收到终端设备 B 的 ARP响应后进行 VXLAN封装,此时 VTEP-2已经构建控制平面地址映射表项,通过 VXLAN封装后以单播方式发送。Outer-src-ip 是 VTEP-2的 IP 地址,outer-dst-ip 是 VTEP-1的 IP 地址;
  • VTEP-1收到封装后的 ARP响应后,解封装比对 VNI,如匹配将 ARP响应发送至终端设备 A,同时记录 VNI、inner MAC、 outer IP 的对应关系,构建控制平面表项;
  • 此时 VTEP-1、VTEP-2均已成功构建控制平面地址映射信息,后续 VXLAN数据使用单播在 VTEP-1和 VTEP-2之间传输。

4. VXLAN 数据传输

  • ARP请求完成后,终端设备 A 向终端设备 B 发送数据, VTEP-1收到数据中查找地址映射表项,将原始数据进行 VXLAN封装后转发至 VTEP-2;
  • VTEP-2收到 VXLAN数据包后检查 VNI 是否与本地 VNI 匹配, 如匹配则解封装后将原始以太网帧转发至终端设备 B。

五、VXLAN部署

六、补充:

  • 在进行 ARP处理时,为了将广播通过多播进行传输,必须要设置VNI 到多播组的映射,这种映射属于管理层,用于建立VTEP之间的管理通道。未知的目的 MAC(unknown MAC destination )同样会进行组播封装,处理方式和广播相同。
  • VXLAN报文不能进行分片处理,中间的设备可能会将 VXLAN报文分片,但是VTEP会将分片后的报文丢弃,为了确保 VXLAN报文不被分片处理,需要修改沿途所以设备的 MTU。RFC文档没有阐述为什么 VTEP必须丢弃分片后的报文。
  • 在封装和解封装时 VLAN TAG信息都会被剥离,除非另有特殊配置。

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【责任编辑:赵宁宁 TEL:(010)68476606】

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