Vxlan基础理解.docx

Vxlan基础理解-新的三层overlay技术的浅析一 . 为什么需要Vxlan1. vlan的数量限制 4096个vlan远不能满足大规模云计算数据中心的需求2. 物理网络基础设施的限制 基于IP子网的区域划分限制了需要二层网络连通性的应用负载的部署3. TOR交换机MAC表耗尽 虚拟化以及东西向流量导致更多的MAC表项4. 多租户场景 IP地址重叠？二. 什么是Vxlan1. Vxlan报文 vxlan(virtual Extensible LAN)虚拟可扩展局域网，是一种overlay的网络技术，使用MAC in UDP的方法进行封装，共50字节的封装报文头。具体的报文格式如下：(1) vxlan header 共计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。(2) 外层的UDP报头 目的端口使用4798，但是可以根据需要进行修改。同事UDP的校验和必须设置成全0。(3) IP报文头 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VxlanTunnel End Point(VTEP)的IP地址。在多播情况下引入VXLAN管理层，利用VNI和IP多播组的映射来确定VTEPs。？ protocol：设置值为0x11，显示说明这是UDP数据包 Source ip: 源vTEP_IP; Destination ip: 目的VTEP IP。(4) Ethernet Header Destination Address：目的VTEP的Mac 地址，即为本地下一跳的地址(通常是网关Mac 地址)； VLAN: VLAN Type被设置为0x8100， 并可以设置Vlan Id tag(这就是vxlan的vlan 标签)。 Ethertype：设置值为0x8000，指明数据包为IPv4的。补充：VTEP的作用？ 用于对VXLAN报文进行封装/解封装，包括ARP请求报文和正常的VXLAN数据报文，在一段封装报文后通过隧道向另一端VTEP发送封装报文，另一端VTEP接收到封装的报文解封装后根据封装的MAC地址进行装法。VTEP可由支持VXLAN的硬件设备或软件来实现。 从封装的结构上来看，VXLAN提供了将二层网络overlay在三层网络上的能力，VXLAN Header中的VNI有24个bit，数量远远大于4096，并且UDP的封装可以穿越三层网络，比VLAN有更好的扩展性。2. Vxlan的数据和控制平面 (1) 数据平面-隧道机制 已经知道，VTEP为虚拟机的数据包加上了层包头，这些新的报头之有在数据到达目的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，对于转发路径上的网络来说，一个Vxlan数据包跟一个普通IP包相比，出了个头大一点外没有区别。 由于VXLAN的数据包在整个转发过程中保持了内部数据的完整，因此VXLAN的数据平面是一个基于隧道的数据平面。(2) 控制平面-改进的二层协议 VXLAN不会在虚拟机之间维持一个长连接，所以VXLAN需要一个控制平面来记录对端地址可达情况。控制平面的表为(VNI，内层MAC，外层vtep_ip)。Vxlan学习地址的时候仍然保存着二层协议的特征，节点之间不会周期性的交换各自的路由表，对于不认识的MAC地址，VXLAN依靠组播来获取路径信息(如果有SDN Controller，可以向SDN单播获取)。 另一方面，VXLAN还有自学习的功能，当VTEP收到一个UDP数据报后，会检查自己是否收到过这个虚拟机的数据，如果没有，VTEP就会记录源vni/源外层ip/源内层mac对应关系，避免组播学习。3. VxlanARP请求(1) vxlan初始化VM1和VM2连接到VXLAN网络(VNI)100，两个VXLAN主机加入IP多播组239.119.1.1(2) ARP请求 1) VM1以广播的形式发送ARP请求； 2) VTEP1封装报文。打上VXLAN标识为100，外层IP头DA为IP多播组(239.119.1.1)，SA为IP_VTEP1. 3) VTEP1在多播组内进行多播； 4) VTEP2解析接收到多播报文。填写流表(VNI, 内层mac地址，外层Ip地址)，并在本地VXLAN标识为100的范围内 广播(是VXLAN的用武之地)。 5) VM2对接收到的ARP请求进行响应；(3) ARP应答1) VM2准备ARP响应报文后向VM1发送响应报文 2)VTEP2接收到VM2的响应报文后把它封装在ip单播报文中（VXLAN标识依然为100），然 后向VM1发送单播 3)VTEP1接收到单播报文后，学习内层MAC到外层ip地址的映射，解封装并根据被封装内容的目的MAC地址转发给VM1 4)VM1接收到ARP应答报文，ARP交互结束4 数据传输 (1) ARP请求应答之后，VM1知道了VM2的Mac地址，并且要向VM2通信(注意，VM1是以TCP的方法向VM2发送数据的)。VTEP1 收到VM1发送数据包，用MAC地址从流表中检查VM1与VM2是否属于用一个VNI。两个VM不但位于同一个VNI中(不在同一个VNI中出网关)，并且VTEP1已经知道了VM2的所有地址信息(MAC和VTEP2_IP)。VTEP1封装新的数据包。然后交给上联交换机。 (2) 上联交换机收到服务器发来的UDP包，对比目的IP地址和自己的路由表，然后将数据报转发给相应的端口。 (3) 目的VTEP收到数据包后检查器VNI，如果UDP报中VNI与VM2的VNI一致，则将数据包解封装后交给VM2进一步处理。至此一个数据包传输完成。整个Vxlan相关的行为(可能穿越多个网关)对虚拟机来说是透明的，虚拟机不会感受传输的过程。 虽然VM1与VM2之间启动了TCP来传输数据，但数据包一路上实际是以UDP的形式被转发，两端的VTEP并不会检查数据是否正确或者顺序是否完整，所有的这些工作都是在VM1和VM2在接收到解封装的TCP包后完成的。也就是说如果说如果被UDP封装的是TCP连接，那么UDP和TCP将做为两个独立的协议栈各自工作，相互之间没有交互。 5Vxlan网关如果需要VXLAN网络和非VXLAN网络连接，必须使用VXLAN网关才能把VXLAN网络和外部网络进行桥接和完成VXLAN ID和VLAN ID之间的映射和路由，和VLAN一样，VXLAN网络之间的通信也需要三层设备的支持，即VXLAN路由的支持。同样VXLAN网关可由硬件和软件来实现。从封装的结构上来看，VXLAN提供了将二层网络overlay在三层网络上的能力，VXLAN Header中的VNI有24个bit，数量远远大于4096，并且UDP的封装可以穿越三层网络，比VLAN有更好的扩展性。6.部署(1) 纯VXLAN部署场景 对于连接到VXLAN内的虚拟机，由于虚拟机的VLAN信息不再作为转发的依据，虚拟机的迁移也就不再受三层网关的限制，可以实现跨越三层网关的迁移。(2) VXLAN与VLAN混合部署 为了实现VLAN和VXLAN之间互通，VXLAN定义了VXLAN网关。VXLAN网关上同时存在两种类型的端口：VXLAN端口和普通端口。 当收到从VXLAN网络到普通网络的数据时，VXLAN网关去掉外层包头，根据内层的原始帧头转发到普通端口上；当有数据从普通网络进入到VXLAN网络时，VXLAN网关负责打上外层包头，并根据原始VLAN ID对应到一个VNI，同时去掉内层包头的VLAN ID信息。相应的如果VXLAN