VXLAN技术——数据中心底层技术

本博文参考华为官方文档

一、概述

VXLAN定义

VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟扩展局域网），是由IETF定义的NVO3（Network Virtualization over Layer 3）标准技术之一，是对传统VLAN协议的一种扩展。VXLAN的特点是将L2的以太帧封装到UDP报文（即L2 over L4）中，并在L3网络中传输。

如图所示，VXLAN本质上是一种隧道技术，在源网络设备与目的网络设备之间的IP网络上，建立一条逻辑隧道，将用户侧报文经过特定的封装后通过这条隧道转发。从用户的角度来看，接入网络的服务器就像是连接到了一个虚拟的二层交换机的不同端口上（可把蓝色虚框表示的数据中心VXLAN网络看成一个二层虚拟交换机），可以方便地通信。

VXLAN已经成为当前构建数据中心的主流技术，是因为它能很好地满足数据中心里虚拟机动态迁移和多租户等需求。

为什么需要VXLAN

虚拟机数量的快速增长与虚拟机迁移业务的日趋频繁，给传统的“二层+三层”数据中心网络带来了新的挑战：

• 虚拟机规模受网络设备表项规格的限制

对于同网段主机的通信而言，报文通过查询MAC表进行二层转发。服务器虚拟化后，数据中心中VM的数量比原有的物理机发生了数量级的增长，伴随而来的便是虚拟机网卡MAC地址数量的空前增加。此时，处于接入侧的二层设备表示“我要Hold不住了”！

一般而言，接入侧二层设备的规格较小，MAC地址表项规模已经无法满足快速增长的VM数量。

• 传统网络的隔离能力有限

VLAN作为当前主流的网络隔离技术，在标准定义中只有12比特，也就是说可用的VLAN数量只有4000个左右。对于公有云或其它大型虚拟化云计算服务这种动辄上万甚至更多租户的场景而言，VLAN的隔离能力显然已经力不从心。

• 虚拟机迁移范围受限

虚拟机迁移，顾名思义，就是将虚拟机从一个物理机迁移到另一个物理机，但是要求在迁移过程中业务不能中断。要做到这一点，需要保证虚拟机迁移前后，其IP地址、MAC地址等参数维持不变。这就决定了，虚拟机迁移必须发生在一个二层域中。而传统数据中心网络的二层域，将虚拟机迁移限制在了一个较小的局部范围内。

VXLAN与VLAN之间有何不同

VLAN作为传统的网络隔离技术，在标准定义中VLAN的数量只有4000个左右，无法满足大型数据中心的租户间隔离需求。另外，VLAN的二层范围一般较小且固定，无法支持虚拟机大范围的动态迁移。

VXLAN完美地弥补了VLAN的上述不足，一方面通过VXLAN中的24比特VNI字段，提供多达16M租户的标识能力，远大于VLAN的4000。

另一方面，VXLAN本质上在两台交换机之间构建了一条穿越数据中心基础IP网络的虚拟隧道，将数据中心网络虚拟成一个巨型“二层交换机”，满足虚拟机大范围动态迁移的需求。

虽然从名字上看，VXLAN是VLAN的一种扩展协议，但VXLAN构建虚拟隧道的本领已经与VLAN迥然不同了。

二、VXLAN的网络模型和基本概念

从上图中可以发现，VXLAN在两台TOR交换机之间建立了一条隧道，将服务器发出的原始数据帧加以“包装”，好让原始报文可以在承载网络（比如IP网络）上传输。当到达目的服务器所连接的TOR交换机后，离开VXLAN隧道，并将原始数据帧恢复出来，继续转发给目的服务器。

• VTEP（VXLAN Tunnel Endpoints，VXLAN隧道端点）：是VXLAN网络的边缘设备，是VXLAN隧道的起点和终点，VXLAN对用户原始数据帧的封装和解封装均在VTEP上进行。

  VTEP是VXLAN网络中绝对的主角，VTEP既可以是一台独立的网络设备，也可以是在服务器中的虚拟交换机。源服务器发出的原始数据帧，在VTEP上被封装成VXLAN格式的报文，并在IP网络中传递到另外一个VTEP上，并经过解封转还原出原始的数据帧，最后转发给目的服务器。

• VNI（VXLAN Network Identifier，VXLAN 网络标识符），VNI是一种类似于VLAN ID的用户标识，一个VNI代表了一个租户，属于不同VNI的虚拟机之间不能直接进行二层通信。VXLAN报文封装时，给VNI分配了24比特的长度空间，使其可以支持海量租户的隔离。

• VXLAN隧道
  “隧道”是一个逻辑上的概念，它并不新鲜，比如大家熟悉的GRE。说白了就是将原始报文“变身”下，加以“包装”，好让它可以在承载网络（比如IP网络）上传输。从主机的角度看，就好像原始报文的起点和终点之间，有一条直通的链路一样。而这个看起来直通的链路，就是“隧道”。顾名思义，“VXLAN隧道”便是用来传输经过VXLAN封装的报文的，它是建立在两个VTEP之间的一条虚拟通道。

三、VXLAN的报文格式

如上图所示，VTEP对VM发送的原始以太帧（Original L2 Frame）进行了以下“包装”：

• 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）。

• 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。

• 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。

• 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的路径中下一跳设备的MAC地址。

四、XVLAN是如何解决现有数据中心问题的

• 隐形

既然无法提升设备表项规格，那就只能限制设备上的MAC表项，将大量VM的MAC地址“隐形”。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。

如果服务器作为VTEP，那从服务器发送到接入设备的报文便是经过封装后的报文，这样，接入设备就不需要学习VM的MAC地址了，它只需要根据外层封装的报文头负责基本的三层转发就可以了。因此，虚拟机规模就不会受网络设备表项规格的限制了。当然，如果网络设备作为VTEP，它还是需要学习VM的MAC地址。但是，从对报文进行封装的角度来说，网络设备的性能还是要比服务器强很多。

• 扩容

对于“传统网络的隔离能力有限”这个问题，VXLAN采用了“扩容”的解决方法，引入了类似VLAN ID的用户标示，也就是前文提到的VNI。一个VNI代表了一个租户，属于不同VNI的虚拟机之间不能直接进行二层通信。VTEP在对报文进行VXLAN封装时，给VNI分配了24比特的空间，这就意味着VXLAN网络理论上支持多达16M的租户隔离。相比VLAN，VNI的隔离能力得到了巨大的提升，有效得解决了云计算中海量租户隔离的问题。

• 隧道

前面提到，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。现在，再回头看下VXLAN网络模型，你是不是惊奇地发现，有了VTEP的封装机制和VXLAN隧道后，所谓的 “二层域”就可以轻而易举的突破物理上的界限？也就是说，在IP网络中， “明”里传输的是跨越三层网络的UDP报文，“暗”里却已经悄悄将源VM的原始报文送达目的VM。就好像在三层的网络之上，构建出了一个虚拟的二层网络，而且只要IP网络路由可达，这个虚拟的二层网络想做多大就做多大。现在，你应该明白为什么说VXLAN是一种NVO3技术了吧。

五、哪些VTEP之间需要建立VXLAN隧道

一条VXLAN隧道是由两个VTEP来确定建立的。数据中心网络中存在很多个VTEP，通过VXLAN隧道，“二层域”可以突破物理上的界限，实现大二层网络中VM之间的通信。所以，连接在不同VTEP上的VM之间如果有“大二层”互通的需求，这两个VTEP之间就需要建立VXLAN隧道。换言之，同一大二层域内的VTEP之间都需要建立VXLAN隧道。

例如，假设上图中VTEP_1连接的VM、VTEP_2连接的VM以及VTEP_3连接的VM之间需要“大二层”互通，那VTEP_1、VTEP_2和VTEP_3之间就需要两两建立VXLAN隧道，如下图所示。

什么是“同一大二层域”

上文提到的“同一大二层域”，就类似于传统网络中VLAN（虚拟局域网）的概念，只不过在VXLAN网络中，它有另外一个名字，叫做Bridge-Domain，简称BD。类似传统网络中采用VLAN划分广播域方法，在VXLAN网络中通过BD划分广播域，一个BD就表示着一个广播域，同一个BD内的主机就可以进行二层互通。

我们知道，不同的VLAN是通过VLAN ID来进行区分的，那不同的BD是如何进行区分的呢？其实前面已经提到了，就是通过VNI来区分的。对于CloudEngine系列交换机而言，BD与VNI是1：1的映射关系，这种映射关系是通过在VTEP设备上配置命令行建立起来的。

如何确定报文属于哪个BD

这里要先澄清下，VTEP只是交换机承担的一个角色而已，只是交换机功能的一部分。也就是说，并非所有进入到交换机的报文都会走VXLAN隧道（也可能报文就是走普通的二三层转发流程）。所以，我们在回答“如何确定报文属于哪个BD”之前，必须先要回答“哪些报文要进入VXLAN隧道”。

哪些报文要进入VXLAN隧道？

回答这个问题之前，不妨先让我们回想一下VLAN技术中，交换机对于接收和发送的报文是如何进行处理的。报文要进入交换机进行下一步处理，首先得先过接口这一关，可以说接口掌控着对报文的“生杀大权”。传统网络中定义了三种不同类型的接口：Access、Trunk、Hybrid。这三种类型的接口虽然应用场景不同，但它们的最终目的是一样的：一是根据配置来检查哪些报文是允许通过的；二是判断对检查通过的报文做怎样的处理。

其实在VXLAN网络中，VTEP上的接口也承担着类似的任务，只不过在CloudEngine系列交换机中，这里的接口不是物理接口，而是一个叫做“二层子接口”的逻辑接口。类似的，二层子接口主要做两件事：一是根据配置来检查哪些报文需要进入VXLAN隧道；二是判断对检查通过的报文做怎样的处理。在二层子接口上，可以根据需要定义不同的流封装类型（类似于传统网络中不同的接口类型）。CloudEngine系列交换机目前支持的流封装类型有dot1q、untag、qinq和default四种类型：

• dot1q：对于带有一层VLAN Tag的报文，该类型接口只接收与指定VLAN Tag匹配的报文；对于带有两层VLAN Tag的报文，该类型接口只接收外层VLAN Tag与指定VLAN Tag匹配的报文。
• untag：该类型接口只接收不带VLAN Tag的报文。
• qinq：该类型接口只接收带有指定两层VLAN Tag的报文。
• default：允许接口接收所有报文，不区分报文中是否带VLAN Tag。不论是对原始报文进行VXLAN封装，还是解封装VXLAN报文，该类型接口都不会对原始报文进行任何VLAN Tag处理，包括添加、替换或剥离。

PS：VXLAN隧道两端二层子接口的配置并不一定是完全对等的。正因为这样，才可能实现属于同一网段但是不同VLAN的两个VM通过VXLAN隧道进行通信。

将二层子接口加入BD

现在我们再来回答“如何确定报文属于哪个BD”就非常简单了。其实，只要将二层子接口加入指定的BD，然后根据二层子接口上的配置，设备就可以确定报文属于哪个BD。

如图所示的组网，一台虚拟化服务器中有两个不同VLAN的虚拟机VM1（VLAN 10）和VM2（VLAN 20），它们与其他虚拟机通信时需要接入VXLAN网络。此时我们可以分别在VTEP的物理接口10GE 1/0/1上，分别针对VM1和VM2封装不同的二层子接口，并将其分别加入不同的BD。这样后续VM1和VM2的流量将会进入不同的VXLAN隧道继续转发。

在这个举例中，vSwitch的上行口配置成Trunk模式，且PVID为20。这样vSwitch发给VTEP的报文中，既有带tag的VM1流量，又有untag的VM2流量，此时在VTEP的接入口上创建两个二层子接口，分别配置为dot1q和untag的封装类型。

在CloudEngine交换机的接入物理接口10GE 1/0/1上，分别创建二层子接口10GE 1/0/1.1和10GE 1/0/1.2，并分别配置其流封装类型为dot1q和untag。

interface 10GE1/0/1.1 mode l2   //创建二层子接口10GE1/0/1.1
encapsulation dot1q vid 10   //只允许携带VLAN Tag 10的报文进入VXLAN隧道
bridge-domain 10   //指定报文进入的是BD 10
#
interface 10GE1/0/1.2 mode l2   //创建二层子接口10GE1/0/1.2
encapsulation untag   //只允许不携带VLAN Tag的报文进入VXLAN隧道
bridge-domain 20   //指定报文进入的是BD 20
#

VXLAN隧道是怎么建立的

现在，我们可以来看下VXLAN隧道是怎么建立起来的。一般而言，隧道的建立不外乎手工方式和自动方式两种。

• 手工方式建立VXLAN隧道

这种方式需要用户手动指定VXLAN隧道的源IP为本端VTEP的IP、目的IP为对端VTEP的IP，也就是人为地在本端VTEP和对端VTEP之间建立静态VXLAN隧道。

vni 5000 head-end peer-list 2.2.2.2和vni 5000 head-end peer-list 2.2.2.3的配置，表示属于VNI 5000的对端VTEP有两个，IP地址分别为2.2.2.2和2.2.2.3。根据这两条配置，VTEP上会生成一张表。

根据表中的Peer List，本端VTEP就可以知道属于同一BD（或同一VNI）的对端VTEP都有哪些，这也就决定了同一大二层广播域的范围。当VTEP收到BUM（Broadcast&Unknown-unicast&Multicast，广播&未知单播&组播）报文时，会将报文复制并发送给Peer List中所列的所有对端VTEP（这就好比广播报文在VLAN内广播）。因此，这张表也被称为“头端复制列表”。当VTEP收到已知单播报文时，会根据VTEP上的MAC表来确定报文要从哪条VXLAN隧道走。而此时Peer List中所列的对端，则充当了MAC表中“出接口”的角色。

• 自动方式建立VXLAN隧道

自动方式下VXLAN隧道的建立需要借助于EVPN（Ethernet VPN）协议。

VXLAN分布式网关

通过部署分布式网关可以解决集中式网关部署的缺点。VXLAN分布式网关是指在典型的“Spine-Leaf”组网结构下，将Leaf节点作为VXLAN隧道端点VTEP，每个Leaf节点都可作为VXLAN三层网关（同时也是VXLAN二层网关），Spine节点不感知VXLAN隧道，只作为VXLAN报文的转发节点。如下图所示，Server1和Server2不在同一个网段，但是都连接到一个Leaf节点。Server1和Server2通信时，流量只需要在Leaf1节点进行转发，不再需要经过Spine节点。

部署分布式网关时：

• Spine节点：关注于高速IP转发，强调的是设备的高速转发能力。
• Leaf节点：作为VXLAN网络中的二层网关设备，与物理服务器或VM对接，用于解决终端租户接入VXLAN虚拟网络的问题。
  作为VXLAN网络中的三层网关设备，进行VXLAN报文封装/解封装，实现跨子网的终端租户通信，以及外部网络的访问。
  

VXLAN分布式网关具有如下特点

• 同一个Leaf节点既可以做VXLAN二层网关，也可以做VXLAN三层网关，部署灵活。
• Leaf节点只需要学习自身连接服务器的ARP表项，而不必像集中三层网关一样，需要学习所有服务器的ARP表项，解决了集中式三层网关带来的ARP表项瓶颈问题，网络规模扩展能力强。

如何确定报文要进哪条隧道

从前面的描述我们知道，属于同一BD的VXLAN隧道可能不止一条，比如前面的头端复制列表中，同一个源端VTEP（1.1.1.1）对应了两个对端VTEP（2.2.2.2和2.2.2.3）。那就带来了另一个问题，报文到底应该走哪一条隧道呢？

我们知道，基本的二三层转发中，二层转发依赖的是MAC表，如果没有对应的MAC表，则主机发送ARP广播报文请求对端的MAC地址；三层转发依赖的是FIB表。在VXLAN中，其实也是同样的道理。

六、VXLAN网络中报文的转发流程

集中式VXLAN中同子网互通流程

如图所示，VM_A、VM_B和VM_C同属于10.1.1.0/24网段，且同属于VNI 5000。此时，VM_A想与VM_C进行通信。

由于是首次进行通信，VM_A上没有VM_C的MAC地址，所以会发送ARP广播报文请求VM_C的MAC地址。

ARP请求报文转发流程

1. VM_A发送源MAC为MAC_A、目的MAC为全F、源IP为IP_A、目的IP为IP_C的ARP广播报文，请求VM_C的MAC地址。

2. VTEP_1收到ARP请求后，根据二层子接口上的配置判断报文需要进入VXLAN隧道。确定了报文所属BD后，也就确定了报文所属的VNI。同时，VTEP_1学习MAC_A、VNI和报文入接口（Port_1，即二层子接口对应的物理接口）的对应关系，并记录在本地MAC表中。之后，VTEP_1会根据头端复制列表对报文进行复制，并分别进行封装。

   可以看到，这里封装的外层源IP地址为本地VTEP（VTEP_1）的IP地址，外层目的IP地址为对端VTEP（VTEP_2和VTEP_3）的IP地址；外层源MAC地址为本地VTEP的MAC地址，而外层目的MAC地址为去往目的IP的网络中下一跳设备的MAC地址。封装后的报文，根据外层MAC和IP信息，在IP网络中进行传输，直至到达对端VTEP。

3. 报文到达VTEP_2和VTEP_3后，VTEP对报文进行解封装，得到VM_A发送的原始报文。同时，VTEP_2和VTEP_3学习VM_A的MAC地址、VNI和远端VTEP的IP地址（IP_1）的对应关系，并记录在本地MAC表中。之后，VTEP_2和VTEP_3根据二层子接口上的配置对报文进行相应的处理并在对应的二层域内广播。
   VM_B和VM_C接收到ARP请求后，比较报文中的目的IP地址是否为本机的IP地址。VM_B发现目的IP不是本机IP，故将报文丢弃；VM_C发现目的IP是本机IP，则对ARP请求做出应答。下面，让我们看下ARP应答报文是如何进行转发的。

ARP应答报文转发流程

1. 由于此时VM_C上已经学习到了VM_A的MAC地址，所以ARP应答报文为单播报文。报文源MAC为MAC_C，目的MAC为MAC_A，源IP为IP_C、目的IP为IP_A。

2. VTEP_3接收到VM_C发送的ARP应答报文后，识别报文所属的VNI（识别过程与ARP请求报文转发流程中步骤②类似）。同时，VTEP_3学习MAC_C、VNI和报文入接口（Port_3）的对应关系，并记录在本地MAC表中。之后，VTEP_3对报文进行封装。

   可以看到，这里封装的外层源IP地址为本地VTEP（VTEP_3）的IP地址，外层目的IP地址为对端VTEP（VTEP_1）的IP地址；外层源MAC地址为本地VTEP的MAC地址，而外层目的MAC地址为去往目的IP的网络中下一跳设备的MAC地址。

   封装后的报文，根据外层MAC和IP信息，在IP网络中进行传输，直至到达对端VTEP。

3. 报文到达VTEP_1后，VTEP_1对报文进行解封装，得到VM_C发送的原始报文。同时，VTEP_1学习VM_C的MAC地址、VNI和远端VTEP的IP地址（IP_3）的对应关系，并记录在本地MAC表中。之后，VTEP_1将解封装后的报文发送给VM_A。
   至此，VM_A和VM_C均已学习到了对方的MAC地址。之后，VM_A和VM_C将采用单播方式进行通信。单播报文的封装与解封装过程类似，不再赘述。

集中式VXLAN中不同子网互通流程

如图所示，VM_A和VM_B分别属于10.1.10.0/24网段和10.1.20.0/24网段，且分别属于VNI 5000和VNI 6000。VM_A和VM_B对应的三层网关分别是VTEP_3上BDIF 10和BDIF 20的IP地址。VTEP_3上存在到10.1.10.0/24网段和10.1.20.0/24网段的路由。此时，VM_A想与VM_B进行通信。

PS：BDIF接口的功能与VLANIF接口类似，是基于BD创建的三层逻辑接口，用以实现不同子网之间的通信，或VXLAN网络与非VXLAN网络之间的通信。

由于是首次进行通信，且VM_A和VM_B处于不同网段，VM_A需要先发送ARP广播报文请求网关（BDIF 10）的MAC。获得网关的MAC后，VM_A先将数据报文发送给网关；之后网关也将发送ARP广播报文请求VM_B的MAC，获得VM_B的MAC后，网关再将数据报文发送给VM_B。以上MAC地址学习的过程与集中式VXLAN中同子网互通流程中MAC地址学习的流程一致，不再赘述。现在假设VM_A和VM_B均已学到网关的MAC、网关也已经学到VM_A和VM_B的MAC，下面就让我们看下数据报文是如何从VM_A发送到VM_B的。

1. VM_A先将数据报文发送给网关。报文的源MAC为MAC_A，目的MAC为网关BDIF 10的MAC_10，源IP地址为IP_A，目的IP为IP_B。

2. VTEP_1收到数据报文后，识别此报文所属的VNI（VNI 5000），并根据MAC表项对报文进行封装。可以看到，这里封装的外层源IP地址为本地VTEP的IP地址（IP_1），外层目的IP地址为对端VTEP的IP地址（IP_3）；外层源MAC地址为本地VTEP的MAC地址（MAC_1），而外层目的MAC地址为去往目的IP的网络中下一跳设备的MAC地址。

   封装后的报文，根据外层MAC和IP信息，在IP网络中进行传输，直至到达对端VTEP。

3. 报文进入VTEP_3，VTEP_3对报文进行解封装，得到VM_A发送的原始报文。然后，VTEP_3会对报文做如下处理：

   • VTEP_3发现该报文的目的MAC为本机BDIF 10接口的MAC，而目的IP地址为IP_B（10.1.20.1），所以会根据路由表查找到IP_B的下一跳。
   • 发现下一跳为10.1.20.10，出接口为BDIF 20。此时VTEP_3查询ARP表项，并将原始报文的源MAC修改为BDIF 20接口的MAC（MAC_20），将目的MAC修改为VM_B的MAC（MAC_B）。
   • 报文到BDIF 20接口时，识别到需要进入VXLAN隧道（VNI 6000），所以根据MAC表对报文进行封装。这里封装的外层源IP地址为本地VTEP的IP地址（IP_3），外层目的IP地址为对端VTEP的IP地址（IP_2）；外层源MAC地址为本地VTEP的MAC地址（MAC_3），而外层目的MAC地址为去往目的IP的网络中下一跳设备的MAC地址。

   封装后的报文，根据外层MAC和IP信息，在IP网络中进行传输，直至到达对端VTEP。

4. 报文到达VTEP_2后，VTEP_2对报文进行解封装，得到内层的数据报文，并将其发送给VM_B。VM_B回应VM_A的流程与上述过程类似，本文不再赘述。