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分类: 网络与安全

2017-06-14 16:53:38

问题导读
1、什么是VXLAN?
2、VXLAN网络和非VXLAN网络区别是什么?
3、如何在你的环境中使用VXLAN?





关于VXLAN的更多资料,请参考:
1、关于VXLAN与异构云之间的集成
2、开发人员必读openstack网络基础5:网络叠加模式VLAN、VxLAN、GRE


一、 VXLAN能解决哪些问题
1、服务器虚拟化技术,允许在物理机上运行多个MAC地址各不相同的虚拟机,随着数量的增加,交换机上的MAC地址表将剧烈膨胀,甚至需要MAC覆盖。
2、数据中心多以VLAN为虚拟机划分网络,但是VLAN数量受制于VLAN(802.1Q)协议4096,这远远满足不了现实的需求。
3、多租户环境的要求,其每个租户都有自己隔离的网络环境,导致物理网络中每个租户所分配的MAC地址和VLAN ID会存在重叠的可能。
4、Spanning Tree Protocol (STP)算法会产生大量多路路径冗余。
5、支持远距离虚拟机迁移,避免处理复杂的L2 (VLAN)网络环境。
6、ToR(Top of Rack) Switch链接着物理server,它记录着各个server/VM相连的MAC地址映射表。当地址映射表满时,ToR就会停止学习新的地址,这样就会导致网络泛洪,直到有记录过期被换出,腾出空闲表项。


二 、VXLAN介绍
VXLAN(Virtual eXtensible Local Area Network)是一种将二层报文用三层协议进行封装的技术,可以对二层网络在三层范围进行扩展。每个覆盖域被称为VXLAN segment,它的ID是由位于VXLAN数据包头中的VXLAN Network Identifier(VNI)标识的。VNI字段包含24 bits,故segments最大数量为2的24次方,约合16M个。并且只有在相同VXLAN segment内的虚拟机之间才可以相互通信。
根据VXLAN的封包方式,也可以将它看做一种隧道模式的网络覆盖技术,这种隧道是无状态的。隧道端点VTEP (VXLAN Tunnel End Point - an entity which originates and/or terminates VXLAN tunnels),它一般位于拥有虚拟机的hypervisor宿主机中,因此VNI(VXLAN Network Identifier or VXLAN Segment ID)和VXLAN隧道只有VTEP可见,对于虚拟机是透明的,那么不同的VXLAN segment中就允许具有相同MAC地址的虚拟机。并且VTEP也可以位于物理交换机或物理主机中,甚至可以使用软件来定义。VTEP (单播时是两个VTEP或多播时是多个VTEP)之间完全是通过L3协议交互的,这也就意味着VTEP间可以由Router相连,而非类似于GRE模式的固定端到端隧道连接。


三 、VXLAN Frame Format
 

(1)     Inner Ethernet Header[8+8+4]20字节
 
   Inner Dest MAC Address:目的虚拟机的MAC地址。
   Inner Source MAC Address:源虚拟机的MAC地址。
Optional Ethertype:可选的VLAN tag。

(2)VXLAN Header[1+3+3+1]8字节
 
Flags(8 bits) :I标记位(从左到右第5个bit)必须设置为1,其余7个R标记位置0。
    VXLAN Network Identifier(VNI) :24bit的值,用来标识VXLAN覆盖网络的编号。
    Reserved fields:24 bits + 8 bits,置为0有效。

(3)Outer UDP Header[2+2+2+2]8字节
 
     Source端口:由VTEP提供,端口值由hash算法计算所得。
     Dest端口:为了网络的交互特性,一般设置为4789。
     UDP校验和:一般为0,非0则此包将会被丢弃。

(4)Outer IP Header[4+4+12]20字节
 
    Outer Source IPv4 Address:发送端VTEP(见上文介绍)的IP地址。
    Protocl:置为0x11(即17)表明包含UDP包。
Outer Dest IPv Address:可以是单播也可以是多播地址。大多数情况是目标接收端VTEP的IP地址,如果没有则会执行ARP请求来获取,具体步骤如下:
        1:目标IP被替换为与源虚拟机具有相同VNI的多播组IP地址。
2:所有的VTEP端都接收此多播包,VTEP查找所在主机上的全部虚拟机来匹配源虚拟机的Inner Dest MAC Address。
        3:目标VTEP上的虚拟机会回应这个多播包,从而获知目标VTEP IP地址。
4:发送端VTEP添加(VNI -- VTEP -- 虚拟机MAC地址)映射关系到自己的VXLAN表中,避免再次组播学习过程。

    (5)Outer Ethernet Header[6+6+4+2]18字节
 
          Outer Dest MAC Address:一般被设置为接收端VTEP设备的MAC地址,或者下一跳设备端口的MAC地 址。(纯粹的L3网络传输过程)
          Outer Source MAC Address:发送端VTEP设备的MAC地址。
          OptnlEthtype VLAN:指定Ethertype为0x8100,并且指定VLAN tag。


四 、VXLAN网络中VM间通信过程
在VXLAN模式的网络环境中:源虚拟机发送出去的L2数据包(Inner Ethernet Header + Payload),由send VTEP使用VXLAN Header (由VNI标识所属的segment)将L2数据包封装,然后依次追加UDP Header + 标准IP Header + 标准MAC Header;发出后由L3协议通过标准IP Header转发;根据UDP目的端口发现VXLAN包头,匹配VNI找到receives VTEP;最后receives VTEP解包,由L2数据包头找到目标虚拟机,交互Payload数据。

VM间通信举例:

 

VM1要向VM2发送数据前,必须要知道VM2的MAC地址,其获取过程如下:
         1、VM1发送ARP请求包,请求192.168.0.101[VM2_IP]的MAC地址;
         2、ARP请求包被VTEP1封装成多播包,发给VNI=864的多播组;
         3、所有的VTEP接收此多播包,并添加(VNI–VTEP1–VM1_MAC Address)映射关系到自己的VXLAN表中;
         4、目的主机上的VTEP2接收到多播包后将其解开,并向本主机上VNI=864的所有虚拟机发送广播包;
         5、VM2看到了ARP包后,回应了自己的MAC地址;
         6、VTEP2再次封装回应的单播包,通过路由发给VTEP1;
         7、VTEP1解包,并将包传给VM1,则最终获取了VM2的MAC地址;
         8、VTEP1将(VNI–VTEP2–VM2_MAC Address)映射关系添加到自己的VXLAN表中;

VM1获知VM2的MAC地址后,发送数据包,过程如下:
1、  VM1发送IP数据包到VM2,即192.168.0.100 到 192.168.0.101;
2、  VTEP1查找自己的VXLAN表知道要发给VTEP2,然后依次封装以下数据包头;
a)VXLAN包头,VNI=864;
b)标准UDP包头,校验和checksum为0x0000,目标端口号4789;
c)标准IP包头,目标地址为VTEP2的IP地址,协议号设为0x11表面为UDP包。
d)标准MAC数据包,目标地址为下一跳设备的MAC地址00:10:11:FE:D8:D2,可路由到目标隧道端VTEP2。
3、  VTEP2接收数据包,根据UDP的destination端口找到VXLAN数据包。接着查找所有所在VXLAN的VNI为864的端口组,找到VM2的
4、  VM2接收并处理数据包,拿到Payload数据。


五 、VXLAN的部署场景
         VXLAN && VXLAN
 
         VXLAN多用于数据中心的虚拟机化环境中,可以穿越机架甚至是数据中心。如上图两个宿主机Server1和Server2,它们可以位于同一个机架也可以位于不同机架,还可以位于不同的数据中心,只要直接由L3网络相连即可,其本质是VETP可以跨越L3。
上图中有4个VXLAN覆盖网络:
VNI=11表示为[{Server1[VM1-1]}, {Server2[VM2-4]}]
VNI=34表示为[{Server1[VM1-2]}, {Server2[VM2-1]}]
VNI=74表示为[{Server1[VM1-3]}, {Server2[VM2-2]}]
VNI=98表示为[{Server1[VM1-4]}, {Server2[VM2-3]}]

         VXLAN && non-VLXAN
 

         VXLAN网络和非VXLAN网络互连就得需要VXLAN gateway,非VXLAN一般为VLAN类型网络。VXLAN网关会剥去数据包的VXLAN包头,将数据包发送到端口MAC地址与Inner Destination MAC Address相同的端口完成数据传输。如果non-VXLAN网络环境使用的VLAN协议,则应该注意Inner Ethernet Header中的VLAN ID设置,总之无论数据是进还是出,VLAN ID不用时可以丢弃不管,使用时必须正确指定。值得说明的是:VXLAN网关可用硬件实现,也可以用软件实现。
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