深入浅出VXLAN技术

想要了解vxlan技术，首先要分清什么是underlay，什么是overlay。

一、什么是underlay和overlay

通常情况下，我们将现实的物理传输的网络层和传输层称为underlay，基于underlay实现的逻辑网络我们称为overlay。

从功能上来说underlay就类似于overlay网络的一根网线，也就是说，overlay网络通过underlay实现网络直连。

更加简单粗暴的理解如下：

  • underlay = 互联网的IP封装
  • overlay = 内部局域网的IP封装

以基于VXLAN实现的HTTP服务为例，看看underlay和overlay的封装：

  • underlay : Ethernet / IP / UDP / VXLAN
  • overlay ：Ethernet / IP / TCP / HTTP

那么，完整的数据封装就是将underlay和overlay格式合并起来：

  • Ethernet/IP/UDP/VXLAN/Ethernet/IP/TCP/HTTP

二、深入浅出VXLAN

针对上面提到的数据封装格式，接下来我们采用问答的方式，帮助大家进一步理解VXLAN。

  1. 问：数据封装格式中有两个Ethernet，其中第一个Ethernet的目的MAC地址是谁的？
  • 答：是现实物理传输网络的网关的，也可以理解为互联网下一跳的MAC地址。
  1. 问：如果两个VTEP端点直接使用光纤直连，目的MAC是谁的？
  • 答：既然只有一跳，那当然是目的VTEP的MAC地址了。
  1. 问：VTEP是什么意思呢？
  • 答：vxlan tunnel endpoint，其实就是underlay的头端、尾端两个节点。
  1. 问：underlay的头端、尾端做什么用的？
  • 答：underlay的头端用来负责underlay的协议封装，也就是封装格式中头部的“Ethernet / IP / UDP / VXLAN/”这一部分，它们是由underlay的头端（VTEP)设备来完成的。
  1. 问：那么网络中谁负责将这一部分头部信息解封装呢？
  • 答：VTEP的尾端设备负责解封装返回的流量。
  • 整个VTEP的传输流程可以理解为：VTEP Head ------------> VXLAN Tunnel ---------------> VTEP Tail
  1. 问：VTEP尾端设备剥离掉underlay,然后如何处理剩余数据？也就是如何处理这部分内容“Ethernet / IP / TCP / SMB”。
  • 答：当然是首先提取MAC地址。
  • 假设数据是从青岛主机（头端VTEP）到达东京的VM（尾端VTEP），那么目的MAC就是东京VM的MAC地址，源MAC就是青岛某处的主机。
  • 需要注意的是：
    • a.青岛的主机与东京的VM应该在相同网段，它们的MAC地址有可能是VM的MAC，也有可能是物理机器的MAC。
    • b.VTEP可以和VM或主机跑在一台机器上，也可以不在一台机器上，换而言之，VTEP对于主机是一个透明的设备。
  1. 问：为何青岛的VTEP会发给东京，而不是发给北京的VTEP？
  • 答：因为青岛的VTEP通过控制平面的ARP协议从东京过来的ARP Request学习到了东京VM的MAC。
  • 这是因为，vxlan协议依赖ARP Request在各个隧道上流淌，从哪个VTEP收到ARP Reply，就知道目的MAC 与哪个VTEP关联。这种方式类似交换机学习MAC地址的方式，先广播flood，然后看哪个端口有响应。
  1. 问：如果东京一共有5个VTEP邻居，不包含自己，东京的VTEP会把ARP REquest 发给多少个地方？
  • 答：它会利用P2P方式将ARP广播通过所有的5个P2P隧道发出去。
  1. 问：除了ARP方式，另外的常用方式是什么？
  • 答：也可以使用BGP进行交换，BGP可以理解跑在TCP 179端口上的应用程序。
  1. 问：BGP 可以用来交换什么？
  • 答：BGP可以交换nlri(Network Layer Reachabilty Information)，简单来说就是路由条目。
  1. 问：那么，基于BGP协议的IP、MAC等多种数据标签，如何区分他们呢？
  • 答：通过扩展BGP的属性：包括IPv4、IPv6、label、MAC，address-family等。这其中用来传输MAC地址的，就是BGP EVPN address-family。
  • 我们可以这样来理解，BGP相当于一辆火车，一个address-family 相当于一节车厢，每节车厢，可以拉不同的货物，有的是IPv4路由表，有的是IPV6路由表，有的是MAC地址。也就是说BGP报文内容分成很多段，每一段里面装载的东西不一样。
  1. 问：为何VTEP只交换MAC，而不交换路由表，怎么做到的？
  • 答：在BGP协商阶段，capability可以协商哪些需要封装，哪些不需要，包括MAC。
  1. 问：东京的VTEP通过BGP告诉了青岛VTEP的MAC地址，问题又来了， 东京VTEP又是如何获得MAC地址的？
  • 答：就像刚才所提到的，依然是ARP flooding，每一个VTEP都是这样学习本地二层网络，包括其他主机的IP、MAC的映射。

总结

综上所述，VXLAN就是这样的网络虚拟化技术，使用VTEP将源主机的物理网络IP、MAC作为外层头进行封装，然后基于UDP协议在IP网络上传输，到达目的地后再由VTEP解封装后发送给目标主机。

相信通过以上问答，大家应该能够初步理解这个技术了。

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