VXLAN学习笔记（一）

VXLAN理解

本文章是基于H3C VXLAN配置手册的一些理解和心得体会。

本人计算机专业出身，从事软件开发，目前转入云网络相关工作，所以重新开始学习网络知识。
VXLAN是第一个要学习的任务，顾作为总结性的输出，目的是帮助个人理解和帮助后来人理解，如果有不对的地方也希望大神指点。

VXLAN概念

VXLAN（Virtual eXtensible LAN，可扩展虚拟局域网络）是基于 IP 网络、采用“MAC in UDP”封装形式的二层 VPN 技术
PS：理解VXLAN网络之前首先要理解二三层转发的基本原理。（MAC地址学习，路由选择等）

• 因为通过定义可以看出，VXLAN技术是VPN技术的一种。所以了解VXLAN首先应该理解什么是VPN技术，VPN技术又包括L2VPN和L3VPN。
• VPN定义虚拟专用网络。
• VXLAN目的就是要在三层网络上构建一个虚拟的二层网络。

VXLAN的优点

云计算出现后对网络要求得不到满足有如下三方面：

1. 虚拟机规模受网络设备表项规格的限制
2. 网络隔离能力有限
3. 虚拟机迁移范围受限

VXLAN出现解决上述三点不足：

1. VXLAN将管理员规划的同一区域内的VM发出的原始报文封装成新的UDP报文，并使用物理网络的IP和MAC地址作为外层头，这样报文对网络中的其他设备只表现为封装后的参数。
2. VXLAN引入了类似VLAN ID的用户标识，称为VXLAN网络标识VNI（VXLAN Network Identifier），由24比特组成，支持多达16M的VXLAN段，有效得解决了云计算中海量租户隔离的问题。
3. VXLAN将VM发出的原始报文进行封装后通过VXLAN隧道进行传输，隧道两端的VM不需感知传输网络的物理架构。（可以理解为在同一个二层网路下，对于MAC地址变更等不会有影响）

VXLAN模型

充分理解模式是理解VXLAN技术的核心
VXLAN 技术将已有的三层物理网络作为 Underlay 网络，在其上构建出虚拟的二层网络，即 Overlay 网络。

• Overlay和Underlay可以理解为是一组概念，简单理解就是Underlay是实际的物理网络，而Overlay是逻辑网络。
• 对于用户来说不感知物理网络的组网形式，只知道Overlay的逻辑网络环境。
• Overlay网络是有逻辑节点与逻辑链路组成。

根据图中的内容理解图中组成VXLAN网络的基本元素。

• VM(Virtual Machine，虚拟机):在一台服务器上可以创建多台虚拟机，不同的虚拟机可以属于不同的 VXLAN。

• VTEP(VXLAN Tunnel End Point，VXLAN 隧道端点):VXLAN 的边缘设备。

  • 边缘设备是与核心设备相对的概念，指数据中心网络中与服务器直接相连的交换机设备。
  • VTEP具体的设备形态暂时不需要考虑，我们只需要关系它具有哪些功能即可。

• VXLAN 隧道:两个 VTEP 之间的点到点逻辑隧道。

  • 隧道概念：隧道技术是一种封装技术，即一种网络协议将其他网络协议的数据报文封装在自己的报文中，然后在网络中传输。封装后的数据报文在网络中传输的路径，成为隧道。虚拟点对点连接。

• 核心设备:IP核心网络中的设备。

  • 核心设备不参与VXLAN处理，仅需 要根据封装后报文的目的IP地址对报文进行三层转发
  • 通过图中可以看出核心设备并不做VXLAN的封装与解封装，所以核心设备只做了路由转发功能。

• VSI(Virtual Switch Instance，虚拟交换实例):VTEP 上为一个 VXLAN 提供二层交换服务的 虚拟交换实例。

  • VSI在VXLAN网络中很重要的概念。VTEP的配置源头就来自VSI
  • VXLAN ID 和VSI 是一对一的关系，所以每增加一个VXLAN ID的二层网络都要有唯一的VSI实例与之对应。
  • 虚拟交换机：VSI可以看成是能够实现交换机功能的软件程序，MAC地址学习、MAC地址老化、泛洪等。
  • 从图中可以看出每个VSI实例分别配置在了多个需要交互的VTEP上。

• AC（Attachment Circuit，接入电路）

  • VTEP 连接本地站点的物理电路或虚拟电路。在 VTEP 上，与 VSI 关联的三层接口称为 AC

    • 三层接口能够配置IP地址，二层接口不能配置IP地址。
  • 接入电路可以理解为与VM与VTEP间连接的接口。

通过模型理解VXLAN网络

• 根据模型不难看出，物理网络虽然是跨了三层网络，但是VTEP之下的VM之间互相认为彼此是二层可达的，也就是说他们之间是通过二层MAC地址相互通信的。
• 每个VXLAN ID构成了一个隔离的二层网络。因此可以认为图中VXLAN ID 10和VXLAN ID 20是相互隔离的。
• 如果他们是二层MAC地址相互通信，那么必然涉及到MAC地址的学习功能，所以VSI需要实现MAC地址学习功能。
• 相同的VXLAN ID 的VM之间都会维护一张MAC-IP的ARP信息表。这也是MAC地址学习的结果。
• 思考问题：如果同一个VXLANID网络下的VM都要走VTEP之间的网络进行MAC地址学习，必然会带来网络流量带宽的占用，由于VTEP之间是三层网络。而且MAC学习是一个需要经常执行的操作。如何解决呢？ARP抑制机制（后边介绍到）

VXLAN报文格式

• 标记位:“I”位为 1 时，表示 VXLAN 头中的 VXLAN ID 有效;为 0，表示 VXLAN ID 无效。

其他位保留未用，设置为 0。

• VXLAN ID:用来标识一个 VXLAN 网络，长度为 24 比特。

VXLAN运行机制

• 识别接收到的报文所属的 VXLAN，以便将报文的源 MAC 地址学习到 VXLAN 对应的 VSI，并在该 VSI 内转发该报文。

  • 对于从 VXLAN 隧道上接收到的 VXLAN 报文， VTEP 根据报文中携带的 VXLAN ID 判断该报文所属的 VXLAN。（找到对应的VSI）
• 学习虚拟机的 MAC 地址。
• 根据学习到的 MAC 地址表项转发报文

VXLAN运行机制理解

1. 个人理解MAC地址学习包括两部分

   • VSI需要记录AC接口与MAC地址的绑定关系（本地MAC地址学习）
   • VSI需要记录tunnel与MAC地址的绑定关系（远端MAC地址学习）
2. 想像一下VSI是一个交换机，交换机有两个Interface接口一个连接本地站点的网络（Interface1），一个连接远端站点网络（Interface2）。其中本地站点即一个VM（MAC地址）与Interface1接口有个对应关系，记录MAC地址与Interface1的绑定，通过学习得来。（谁发送到这个接口数据，VSI将数据解出来查看MAC地址，那源MAC就对应这个接口啦）

3. 同样对于远端MAC地址：

   • 静态配置。
   • 动态学习：三层数据包进来的Interface有VXLAN ID，对应一个VSI，拆掉UDP信息，找到二层网络帧中的源MAC地址，此时MAC与入口的Interface2就建立了绑定关系。
4. Interface2叫做隧道接口，因为是从VXLAN隧道对接的。
5. VM 也需要通过ARP广播报文知道自己需要的IP地址所对应的MAC地址，否者不知道向哪里发送。

ARP泛洪抑制

1. ARP抑制简单立即就是为了方式VM发送的ARP广播报文在网络中频繁的发送，而采取的一种机制
2. 原理：就是在VM发送ARP广播之后，VSI先判断是否记录了这个MAC地址与IP地址的关系，如果记录了这个关系表，VSI会做ARP代答。即不会再网络中发送ARP报文，让对端VM回答ARP响应。只有在VSI中没有记录MAC地址与IP地址的关系时，才会发送ARP报文，然后双方的VSI再次进行MAC学习记录记录IP与MAC的关系。
3. 泛洪抑制的原理就是将泛洪后的MAC地址表项记录下来。因为Overlay上都是可以看做是一个二层网络，A、B网络会通过ARP进行MAC地址与IP地址的关系记录，此时，如果VTEP上记录了其他虚拟机的MAC的话，（记录其他虚拟机MAC地址信息的表叫做ARP泛洪抑制表项），就不会广播到整个三层网络减少核心网流量，代理应答这个MAC地址请求。

1. 图中7，8操作就是泛洪抑制后的结果，而之前的就是泛洪的过程。

转发泛洪流量

1.上文中提到的VSI将ARP报文在网络中转发的机制叫做转发泛洪流量。
2.VTEP节点只会接受泛洪流量包，并且转发给本地站点，而不会转发给其他VTEP，目的为了防止网络报文的回环。