【网络知识点汇总】VXLAN

一，什么是vxlan

1， 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。（overlay：简单理解就是在一个实体网络之上搭建一个逻辑网络）

2，VXLAN本质上是一种隧道封装技术。它使用TCP/IP协议栈的惯用手法——封装/解封装技术，将L2的以太网帧封装成L4的UDP数据报，然后在L3的网络中传输，效果就像L2的以太网帧在一个广播域中传输一样，实际上是跨越了L3网络，但却感知不到L3网的存在。

二，VXLAN为了解决什么问题？

一台服务器可虚拟多台虚拟机，每台虚拟机相当于一台主机。主机的数量发生了数量级的变化，这也为虚拟网络带来了如下问题：

1，虚拟机规模受网络规格限制

传统二层网络环境下，数据报文是通过查询MAC地址表进行二层转发，而MAC地址表的容量限制了虚拟机的数量。

2， 网络隔离能力限制

当前主流的网络隔离技术是VLAN，在大规模的虚拟化网络中部署存在如下限制：

① 由于IEEE 802.1Q中定义的VLAN Tag域只有12比特（vxlan中VNI占24比特），仅能表示4096个VLAN，无法满足大二层网络中标识大量租户或租户群的需求。

② 传统二层网络中的VLAN无法满足网络动态调整的需求，

3，虚拟机迁移范围受网络架构限制

虚拟机启动后，可能由于服务器资源等问题（如CPU过高，内存不够等），需要将虚拟机迁移到新的服务器上。为了保证虚拟机迁移过程中业务不中断，则需要保证虚拟机的IP地址保持不变，这就要求业务网络是一个二层网络，且要求网络本身具备多路径的冗余备份和可靠性。

三，VXLAN概念图示

图中从左到右依次介绍，OVI为物理服务器，VM1等表示物理服务器上创建的虚拟机，interface表示在leaf交换机TOR上的物理子接口，每一个Sub interface表示一个vlan，DB表示广播域，每个广播域中可以运行vxlan，三台运行vxlan的设备被称为NVE，每个NVE都有自己的一个VTMP，可以理解VTMP为一个IP，那么三个VTMP就可以建立三条vxlan隧道，在VTMP上创建不同的VNI(就像不同得vlanID一样)，每一个NVI都有自己的广播域BD，可以看到每个BD对应一个BDIF（相当于vlan子接口），综上所述，VM1通过虚拟交换机连接子接口Sub interface1，从虚拟机出来的流量OVS会给打一个vlan的标签，该vlanid会个sub interface的vlanid做一个匹配，子接口sub interface1绑定到了BD1下，每个BD对应一个VNI，根据BD和NVI的映射关系就会知道VM1属于VNI1，每个BD都有一个网关BDIF，所以VM1的网关就是BDIF1。

四，VXLAN报文封装格式：MAC IN UDP!!!

从右往左：

1，Original Enternet Frame：原始以太帧，二层头和原始数据，原始以太帧需要封装vxlan需要在其前封装一个VXLAN头部

2，VXLAN Head：大部分比特被保留，图中置R的表示被保留，置I表示VXLAN Head，中间有24位表示NVI，所以VXLAN支持的数量位2^24>1600万个VNI。

3，UDP Header：源目端口组成，Dest Port=VXLAN Port=4789(vxlan)，Source Port根据原始以太帧HASH算出来的；深信服超融合VXLAN值选择8472

4，DIP/SIP：隧道的VTMP ip，SIP本端VTMPIP，DIP对端VTMPIP

5，DMAC/SMAC：SMAC根据外层IP查询出接口的MAC，DMAC为下一跳MAC

五：VXLAN网关

传统网络中，跨报文转发数据需要借助vlan mapping或者L3设备进行完成不同的一个vlan之间的一个互通问题，VXLAN一样需要解决一下两个问题：

1，VXLAN和VLAN之间互通，解决VXLAN虚拟网络和传统物理网络之间通信

2，VXLAN和VXLAN之间互通，解决VXLAN网络内部不同租户通信

3，三层网关分类：

1）集中式网关：南北向流量和不同VXLAN之间的通信都通过仅有一台VTMP设备充当集中式网关处理流量，网关压力比较大，而且不同VXLAN之间的流量互通路径不是最优的

2）分布式网关：多台VTMP设备充当网关，对本地站点流量进行三层转发，南北向流量和集中式网关无异，东西向流量路径最优。

六，VXLAN之间如何通信

场景1，相同VXLAN之间VM通信

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。

1，通信过程：

1）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。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。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。

场景2，不同VXLAN之间VM通信

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。

1，通信过程：

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，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。

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会对报文进行处理：

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_3，而外层目的MAC地址为去往目的IP的网络中下一跳VTMP_2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。

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VXLAN详解，报文封装格式：MAC IN UDP。每日一积累慢慢变专家。

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感谢分享有助于工资和学习！

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