VXLAN技术解析

2020-02-15 21:15 作者：艾锑无限 浏览量：

 
        这次的肺炎疫情对中国的中小企业将会是沉重的打击，据钉钉和微信两个办公平台数据统计现有2亿左右的人在家远程办公，那么对于中小企业的员工来说不懂IT技术将会让他们面临的最大挑战和困难。
 
        电脑不亮了怎么办？系统蓝屏如何处理？办公室的电脑在家如何连接？网络应该如何设置？VPN如何搭建？数据如何对接？服务器如何登录？数据安全如何保证？数据如何存储？视频会议如何搭建？业务系统如何开启等等一系列的问题，都会困扰着并非技术出身的您。
   
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        第三版块是增值性云服务外包:如企业邮箱上云，企业网站上云，企业存储上云，企业APP小程序上云，企业业务系统上云，阿里云产品等后续的云运维外包服务。
 
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一 vxlan 简介
VXLAN 全称是 Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟可扩展的局域网。它是一种 overlay 技术，通过三层的网络来搭建虚拟的二层网络。
每一个技术出来都有它要解决的问题，VXLAN 也不例外，那么我们先看看 VXLAN 到底要解决哪些问题。
1 虚拟化（虚拟机和容器）的兴起使得一个数据中心会有成千上万的机器需要通信，而传统的 VLAN 技术只能支持 4096 个网络上限，已经满足不了不断扩展的数据中心规模
2 越来越多的数据中心（尤其是公有云服务）需要提供多租户的功能，不同用户之间需要独立地分配 ip 和 MAC 地址，如何保证这个功能的扩展性和正确性也是一个待解决的问题
3 云计算业务对业务灵活性要求很高，虚拟机可能会大规模迁移，并保证网络一直可用，也就是大二层的概念。解决这个问题同时保证二层的广播域不会过分扩大，也是云计算网络的要求

二 VXLAN 模型
vxlan 这类隧道网络的一个特点是对原有的网络架构影响小，原来的网络不需要做任何改动，在原来网络基础上架设一层新的网络。
vxlan 自然会引入一些新的概念，这部分就讲讲它们。下面这张图 是 vxlan 的工作模型，它创建在原来的 IP 网络（三层）上，只要是三层可达（能够通过 IP 互相通信）的网络就能部署 vxlan。在每个端点上都有一个 vtep 负责 vxlan 协议报文的封包和解包，也就是在虚拟报文上封装 vtep 通信的报文头部。物理网络上可以创建多个 vxlan 网络，这些 vxlan 网络可以认为是一个隧道，不同节点的虚拟机能够通过隧道直连。每个 vxlan 网络由唯一的 VNI 标识，不同的 vxlan 可以不相互影响。 1 VTEP（VXLAN Tunnel Endpoints）：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）
2 VNI（VXLAN Network Identifier）：VNI 是每个 vxlan 的标识，是个 24 位整数，一共有 2^24 = 16,777,216（一千多万），一般每个 VNI 对应一个租户，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

3 Tunnel：隧道是一个逻辑上的概念，在 vxlan 模型中并没有具体的物理实体想对应。隧道可以看做是一种虚拟通道，vxlan 通信双方（图中的虚拟机）认为自己是在直接通信，并不知道底层网络的存在。从整体来说，每个 vxlan 网络像是为通信的虚拟机搭建了一个单独的通信通道，也就是隧道
三 VXLAN报文解析
下图是 vxlan 协议的报文，白色的部分是虚拟机发送报文（二层帧，包含了 MAC 头部、IP 头部和传输层头部的报文），前面加了 vxlan 头部用来专门保存 vxlan 相关的内容，在前面是标准的 UDP 协议头部（UDP 头部、IP 头部和 MAC 头部）用来在底层网路上传输报文。 从这个报文中可以看到三个部分：
1 最外层的 UDP 协议报文用来在底层网络上传输，也就是 vtep 之间互相通信的基础
2中间是 VXLAN 头部，vtep 接受到报文之后，去除前面的 UDP 协议部分，根据这部分来处理 vxlan 的逻辑，主要是根据 VNI 发送到最终的虚拟机
3 最里面是原始的报文，也就是虚拟机看到的报文内容
报文各个部分的意义如下：
VXLAN header：vxlan 协议相关的部分，一共8个字节




VXLAN flags：标志位
Reserved：保留位

VNID：24 位的 VNI 字段，这也是 vxlan 能支持千万租户的地方
Reserved：保留字段

UDP 头部，8个字节
UDP 应用通信双方是 vtep 应用，其中目的端口就是接收方 vtep 使用的端口，IANA 分配的端口是 4789

IP 头部：20字节
主机之间通信的地址，可能是主机的网卡 IP 地址，也可能是多播 IP 地址

MAC 头部：14 字节
主机之间通信的 MAC 地址，源 MAC 地址为主机 MAC 地址，目的 MAC 地址为下一跳设备的 MAC 地址
可以看出 vxlan 协议比原始报文多 50 字节的内容，这会降低网络链路传输有效数据的比例。vxlan 头部最重要的是 VNID 字段，其他的保留字段主要是为了未来的扩展，目前留给不同的厂商用这些字段添加自己的功能。
四 VXLAN报文格式 如你所料，VTEP对VM发送的原始以太帧（Original L2 Frame）进行了以下“包装”：
l VXLAN Header

增加VXLAN头（8字节），其中包含24比特的VNI字段，用来定义VXLAN网络中不同的租户。此外，还包含VXLAN Flags（8比特，取值为00001000）和两个保留字段（分别为24比特和8比特）。
2 UDP Header

VXLAN头和原始以太帧一起作为UDP的数据。UDP头中，目的端口号（VXLAN Port）固定为4789，源端口号（UDP Src. Port）是原始以太帧通过哈希算法计算后的值。
3 Outer IP Header

封装外层IP头。其中，源IP地址（Outer Src. IP）为源VM所属VTEP的IP地址，目的IP地址（Outer Dst. IP）为目的VM所属VTEP的IP地址。
4 Outer MAC Header

封装外层以太头。其中，源MAC地址（Src. MAC Addr.）为源VM所属VTEP的MAC地址，目的MAC地址（Dst. MAC Addr.）为到达目的VTEP的路径上下一跳设备的MAC地址。