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VxLAN简介

分类: 文章 • 2023-10-13 14:28:46

1.VxLAN的定义

VxLAN 全称是 Visual eXtensible Local Area Network（虚拟扩展本地局域网），它是一个 VLAN 的扩展协议。

VxLAN 本质上是一种隧道封装技术。它使用 TCP/IP 协议栈的惯用手法–封装/解封装技术，将 L2 的以太网帧（Ethernet frames）封装成 L4 的 UDP 数据报（datagrams），然后在 L3 的网络中传输，效果就像 L2 的以太网帧在一个广播域中传输一样，实际上是跨越了 L3 网络，但却感知不到 L3 网络的存在。

如下图所示，左右两边是 L2 广播域，中间跨越一个 L3 网络，VTEP 是 VxLAN 隧道端点(VxLAN Tunnel Point)，当 L2 以太网帧到达 VTEP 的时候，通过 VxLAN 的封装，跨越 L3 层网络完成通信，由于 VxLAN 的封装"屏蔽"了 L3 网络的存在，所以整个过程就像在同一个 L2 广播域中传输一样。
VxLAN简介

2.VxLAN的产生背景

  1. VLAN ID 数量的限制
    虚拟化技术发展起来后，一台物理主机可能虚拟出上百上千台虚拟设备，整个云数据中心可能要划分超过成千上万个的广播域，而 VLAN 的数量最多 4094 个。
    VxLAN简介
    从图中可以得到VLAN ID使用12 bit来表示，所以最多为4096个。

  2. 网络规模与MAC地址表耗尽
    交换机的原理是根据 MAC 地址表完成数据包的二层转发。在虚拟化技术没出现之前，数据中心的 TOR(Top of Rack) 交换机的一个端口连接一台物理主机，并对应一个 MAC 地址，当虚拟化技术出现之后，一台物理主机虚拟出几十甚至上百台虚拟机，TOR 交换机的一个端口虽然还是连接一台物理主机，但却对应多个 MAC 地址（这还在不算 VLAN 划分的情况下），如下图所示：
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    这无疑会造成 TOR MAC 地址表的膨胀，交换机本身 MAC 表的空间是有限的，如果溢出，就会造成交换机的不断泛洪，增加了处理负担。

    如果使用 VxLAN 则不然，VxLAN 使用 VTEP 封装虚拟机的二层帧，在三层网络上传输，通常，一台物理机对应一个 VTEP，一个 VTEP 可以被该台物理机上的所有虚拟机共有，所以，对于 TOR 交换机的 MAC 地址表来说，一台物理机只用记录一条 VTEP 信息即可。这样就避免了 MAC 地址表暴增的问题。

  3. 虚拟机迁移范围受网络架构限制
    虚拟机启动后，可能由于服务器资源等问题（如CPU过高，内存不够等），需要将虚拟机迁移到新的服务器上。为了保证虚拟机迁移过程中业务不中断，则需要保证虚拟机的IP地址、MAC地址等参数保持不变。

    在采用 VLAN 的虚拟网络环境下，虚拟机的 VLAN 数据包直接在物理网络上传输，和物理网络上的 VLAN 数据包融合在一起，这样的好处是虚拟机能直接访问到物理网络的设备，但坏处也很明显，虚拟网络无法打破物理网络的界限，具体表现在虚拟机的部署和迁移不太灵活。
    VxLAN简介
    如图所示，网络1中的负载较重时，采用VLAN隔离的网络不能将虚拟机迁移到网络2中。

    使用 VxLAN 则完全不全在这些问题，通过 VxLAN 的封装，在一个 L3 网络上构建了 L2 网络，或者说基于 underlay 网络的 overlay 网络，虚拟机的数据可以打破 L2 网络的限制，在 L3 网络上传输，虚拟机的部署和迁移也不受物理网络的限制，可以灵活部署和迁移，使得整个数据中心保持一个平均的利用率。

3.VxLAN报文格式

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其中VxLAN头由8Bytes组成，分别是:

  • Flags: 占 8bits，具体是 RRRRIRRR，其中 I 必须设置为 1，表示是是一个合法的 VxLAN ID，其它 7bits 的 R 作为保留字段并且设置为 0。
  • VNI: 占 24bits，VxLAN 的 ID 标识。最多可以支持2^24 = 16777216，约等于16M个虚拟网络。远远超过VLAN 4096个限制。
  • Reserved: 保留字段。

对于 UDP 头部，需要注意的是，目的端口(dst port) 默认设置为 4789，这是 IANA 分配的 VxLAN 协议使用端口号。

4.VxLAN数据传输过程

VxLAN简介

图中，VTEP 叫做 VxLAN 隧道端点(VxLAN Tunnel Endpoint)，是 VxLAN 协议中将对原始数据包进行封装和解封装的设备，它可以由硬件设备实现，也可以由软件实现。

假如图中 VM1 ping VM2，会是怎样一个通信过程：

  1. VM1 不知道 VM2 的 MAC 地址，会发出 ARP 请求。
  2. VM1 所在主机的 VTEP 封装 ARP 请求包，并向网络中其余 VTEP 广播。同时在 MAC 地址表中记录 VM1 的表项。
  3. VM2 所在主机的 VTEP 接收 ARP 请求包，解封装之后将原始包发到 VM2，同时记录 VM1 的 MAC 地址表项。
  4. VM2 发出 ARP 响应，经过 VTEP，再次封装之后，由于之前学习到 VM1 的地址，所以直接单播发给 VM1 所在主机的 VTEP，同时记录 VM2 的 MAC 地址表项。
  5. VM1 所在主机 VTEP 接收 ARP 响应包，解封装之后发给 VM1，同时记录 VM2 的 MAC 地址表项。
  6. VM1 拿到 VM2 的 MAC 地址之后，发出 ICMP 包，这个时候 VTEP 的 MAC 地址表中已经学习到 VM2 的地址，所以直接封装之后，单播发给 VM2 所在主机 VTEP。
  7. VM2 所在主机 VTEP 解封装之后，直接发给 VM2。
  8. VM2 构造 ICMP 的响应包，同样的过程发给 VM1，至此完成整个 ping 的过程。

5.VxLAN存在的问题

VxLAN具有很多优势，但是同时也要注意到隧道技术本身有封装与解封装的开销，因此VxLAN的性能势必会有一定的下降。在实际使用时需要结合网络规模综合考虑。

6.参考

https://www.cnblogs.com/bakari/p/11131268.html

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