VXLAN技術(shù)解析

2020-02-15 21:15 作者：艾銻無限 瀏覽量：

 
        這次的肺炎疫情對中國的中小企業(yè)將會是沉重的打擊，據(jù)釘釘和微信兩個(gè)辦公平臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有2億左右的人在家遠(yuǎn)程辦公，那么對于中小企業(yè)的員工來說不懂IT技術(shù)將會讓他們面臨的最大挑戰(zhàn)和困難。
 
        電腦不亮了怎么辦？系統(tǒng)藍(lán)屏如何處理？辦公室的電腦在家如何連接？網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該如何設(shè)置？VPN如何搭建？數(shù)據(jù)如何對接？服務(wù)器如何登錄？數(shù)據(jù)安全如何保證？數(shù)據(jù)如何存儲？視頻會議如何搭建？業(yè)務(wù)系統(tǒng)如何開啟等等一系列的問題，都會困擾著并非技術(shù)出身的您。
   
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        第二版塊是功能性互聯(lián)網(wǎng)外包服務(wù):如網(wǎng)站開發(fā)外包，小程序開發(fā)外包，APP開發(fā)外包，電商平臺開發(fā)外包，業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)外包和后期的運(yùn)維外包服務(wù)。
 
        第三版塊是增值性云服務(wù)外包:如企業(yè)郵箱上云，企業(yè)網(wǎng)站上云，企業(yè)存儲上云，企業(yè)APP小程序上云，企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)上云，阿里云產(chǎn)品等后續(xù)的云運(yùn)維外包服務(wù)。
 
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一 vxlan 簡介
VXLAN 全稱是 Virtual eXtensible Local Area Network，虛擬可擴(kuò)展的局域網(wǎng)。它是一種 overlay 技術(shù)，通過三層的網(wǎng)絡(luò)來搭建虛擬的二層網(wǎng)絡(luò)。
每一個(gè)技術(shù)出來都有它要解決的問題，VXLAN 也不例外，那么我們先看看 VXLAN 到底要解決哪些問題。
1 虛擬化（虛擬機(jī)和容器）的興起使得一個(gè)數(shù)據(jù)中心會有成千上萬的機(jī)器需要通信，而傳統(tǒng)的 VLAN 技術(shù)只能支持 4096 個(gè)網(wǎng)絡(luò)上限，已經(jīng)滿足不了不斷擴(kuò)展的數(shù)據(jù)中心規(guī)模
2 越來越多的數(shù)據(jù)中心（尤其是公有云服務(wù)）需要提供多租戶的功能，不同用戶之間需要獨(dú)立地分配 ip 和 MAC 地址，如何保證這個(gè)功能的擴(kuò)展性和正確性也是一個(gè)待解決的問題
3 云計(jì)算業(yè)務(wù)對業(yè)務(wù)靈活性要求很高，虛擬機(jī)可能會大規(guī)模遷移，并保證網(wǎng)絡(luò)一直可用，也就是大二層的概念。解決這個(gè)問題同時(shí)保證二層的廣播域不會過分?jǐn)U大，也是云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的要求

二 VXLAN 模型
vxlan 這類隧道網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)特點(diǎn)是對原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)影響小，原來的網(wǎng)絡(luò)不需要做任何改動，在原來網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上架設(shè)一層新的網(wǎng)絡(luò)。
vxlan 自然會引入一些新的概念，這部分就講講它們。下面這張圖 是 vxlan 的工作模型，它創(chuàng)建在原來的 IP 網(wǎng)絡(luò)（三層）上，只要是三層可達(dá)（能夠通過 IP 互相通信）的網(wǎng)絡(luò)就能部署 vxlan。在每個(gè)端點(diǎn)上都有一個(gè) vtep 負(fù)責(zé) vxlan 協(xié)議報(bào)文的封包和解包，也就是在虛擬報(bào)文上封裝 vtep 通信的報(bào)文頭部。物理網(wǎng)絡(luò)上可以創(chuàng)建多個(gè) vxlan 網(wǎng)絡(luò)，這些 vxlan 網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為是一個(gè)隧道，不同節(jié)點(diǎn)的虛擬機(jī)能夠通過隧道直連。每個(gè) vxlan 網(wǎng)絡(luò)由唯一的 VNI 標(biāo)識，不同的 vxlan 可以不相互影響。 1 VTEP（VXLAN Tunnel Endpoints）：vxlan 網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，用來進(jìn)行 vxlan 報(bào)文的處理（封包和解包）。vtep 可以是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（比如交換機(jī)），也可以是一臺機(jī)器（比如虛擬化集群中的宿主機(jī)）
2 VNI（VXLAN Network Identifier）：VNI 是每個(gè) vxlan 的標(biāo)識，是個(gè) 24 位整數(shù)，一共有 2^24 = 16,777,216（一千多萬），一般每個(gè) VNI 對應(yīng)一個(gè)租戶，也就是說使用 vxlan 搭建的公有云可以理論上可以支撐
千萬級別的租戶

3 Tunnel：隧道是一個(gè)邏輯上的概念，在 vxlan 模型中并沒有具體的物理實(shí)體想對應(yīng)。隧道可以看做是一種虛擬通道，vxlan 通信雙方（圖中的虛擬機(jī)）認(rèn)為自己是在直接通信，并不知道底層網(wǎng)絡(luò)的存在。從整體來說，每個(gè) vxlan 網(wǎng)絡(luò)像是為通信的虛擬機(jī)搭建了一個(gè)單獨(dú)的通信通道，也就是隧道
三 VXLAN報(bào)文解析
下圖是 vxlan 協(xié)議的報(bào)文，白色的部分是虛擬機(jī)發(fā)送報(bào)文（二層幀，包含了 MAC 頭部、IP 頭部和傳輸層頭部的報(bào)文），前面加了 vxlan 頭部用來專門保存 vxlan 相關(guān)的內(nèi)容，在前面是標(biāo)準(zhǔn)的 UDP 協(xié)議頭部（UDP 頭部、IP 頭部和 MAC 頭部）用來在底層網(wǎng)路上傳輸報(bào)文。 從這個(gè)報(bào)文中可以看到三個(gè)部分：
1 最外層的 UDP 協(xié)議報(bào)文用來在底層網(wǎng)絡(luò)上傳輸，也就是 vtep 之間互相通信的基礎(chǔ)
2中間是 VXLAN 頭部，vtep 接受到報(bào)文之后，去除前面的 UDP 協(xié)議部分，根據(jù)這部分來處理 vxlan 的邏輯，主要是根據(jù) VNI 發(fā)送到最終的虛擬機(jī)
3 最里面是原始的報(bào)文，也就是虛擬機(jī)看到的報(bào)文內(nèi)容
報(bào)文各個(gè)部分的意義如下：
VXLAN header：vxlan 協(xié)議相關(guān)的部分，一共8個(gè)字節(jié)




VXLAN flags：標(biāo)志位
Reserved：保留位

VNID：24 位的 VNI 字段，這也是 vxlan 能支持千萬租戶的地方
Reserved：保留字段

UDP 頭部，8個(gè)字節(jié)
UDP 應(yīng)用通信雙方是 vtep 應(yīng)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 頭部：20字節(jié)
主機(jī)之間通信的地址，可能是主機(jī)的網(wǎng)卡 IP 地址，也可能是多播 IP 地址

MAC 頭部：14 字節(jié)
主機(jī)之間通信的 MAC 地址，源 MAC 地址為主機(jī) MAC 地址，目的 MAC 地址為下一跳設(shè)備的 MAC 地址
可以看出 vxlan 協(xié)議比原始報(bào)文多 50 字節(jié)的內(nèi)容，這會降低網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸有效數(shù)據(jù)的比例。vxlan 頭部最重要的是 VNID 字段，其他的保留字段主要是為了未來的擴(kuò)展，目前留給不同的廠商用這些字段添加自己的功能。
四 VXLAN報(bào)文格式 如你所料，VTEP對VM發(fā)送的原始以太幀（Original L2 Frame）進(jìn)行了以下“包裝”：
l VXLAN Header

增加VXLAN頭（8字節(jié)），其中包含24比特的VNI字段，用來定義VXLAN網(wǎng)絡(luò)中不同的租戶。此外，還包含VXLAN Flags（8比特，取值為00001000）和兩個(gè)保留字段（分別為24比特和8比特）。
2 UDP Header

VXLAN頭和原始以太幀一起作為UDP的數(shù)據(jù)。UDP頭中，目的端口號（VXLAN Port）固定為4789，源端口號（UDP Src. Port）是原始以太幀通過哈希算法計(jì)算后的值。
3 Outer IP Header

封裝外層IP頭。其中，源IP地址（Outer Src. IP）為源VM所屬VTEP的IP地址，目的IP地址（Outer Dst. IP）為目的VM所屬VTEP的IP地址。
4 Outer MAC Header

封裝外層以太頭。其中，源MAC地址（Src. MAC Addr.）為源VM所屬VTEP的MAC地址，目的MAC地址（Dst. MAC Addr.）為到達(dá)目的VTEP的路徑上下一跳設(shè)備的MAC地址。