VXlan 技术实现原理

Vxlan 概况

VXLAN(Virtual eXtential LAN)意为虚拟可拓展局域网。随着大数据、云计算技术的兴起以及虚拟化技术的普及，VLAN技术的弊端逐渐显现出来，具体表现为如下3个方面：
(1) 虚拟化技术的发展促使大数据、云计算技术公司采用单个物理设备虚拟多台虚拟机的方式来进行组网，随着应用模块的增加，对于支持VLAN数目的要求也在提升，802.1Q标准中的最多支持4094个VLAN的能力已经无法满足当下需求。
(2) 公有云提供商的业务要求将实体网络租借给多个不同的用户，这些用户对于网络的要求有所不同，而不同用户租借的网络有很大的可能会出现IP地址、MAC地址的重叠，传统的VLAN仅仅解决了同一链路层网络广播域隔离的问题，而并没有涉及到网络地址重叠的问题，因此需要一种新的技术来保证在多个租户网络中存在地址重叠的情况下依旧能有效通信的技术。
(3) 虚拟化技术的出现增加了交换机的负担，对于大型的数据中心而言，单台交换机必须支持数十台以上主机的通信连接才足以满足应用需求，而虚拟化技术使得单台主机可以虚拟化出多台虚拟机同时运行，而每台虚拟机都会有其唯一的MAC地址。这样，为了保证集群中所有虚机可以正常通信，交换机必须保存每台虚机的MAC地址，这样就导致了交换机中的MAC表异常庞大，从而影响交换机的转发性能。
基于以上需求，VXLAN技术被提出。
VXLAN技术是网络Overlay技术的一种实现，对于Overlay技术，笔者的理解是：在基于物理网络拓扑的基础上通过一定的技术来构建虚拟的、不同于物理网络拓扑的逻辑网络，而物理网络的拓扑结构对于Overlay终端而言是透明的，终端不会感知到物理网络的存在，而仅仅能感知到逻辑网络结构。对于终端的视角，网络的情况和直接通过物理设备实现逻辑拓扑的效果是相同的。VXLAN技术可以基于三层网络结构来构建二层虚拟网络，通过VLAN技术可以将处于不同网段网络设备整合在同一个逻辑链路层网络中，对于终端用户而言，这些网络设备似乎“真实地”部署在了同一个链路层网络中。

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VXlan格式及封装格式

VXLAN通过将逻辑网络中通信的数据帧封装在物理网络中进行传输，封装和解封装的过程由VTEP节点完成。VXLAN将逻辑网络中的数据帧添加VXLAN首部后，封装在物理网络中的UDP报文中传送，VXLAN首部的格式如下：

VXLAN首部由8个字节组成，第1个字节为标志位，其中标志位I设为1表示是一个合法的VXLAN首部，其余标志则保留，在传输过程中必须置为0；第2-4字节为保留部分，第5-7字节为VXLAN标识符，用来表示唯一的一个逻辑网络；第8个字节同样为保留字段，暂未使用。
VXLAN传输过程中，将逻辑链路网络的数据帧添加VXLAN首部后，依次添加UDP首部，IP首部，以太网帧首部后，在物理网络中传输，数据帧的封装格式可以用下图来描述：

需要注意的是，外部UDP首部的目的端口号为4789，该数值为默认VXLAN解析程序的端口，外层IP首部中的源IP和目的IP地址均填写通信双方的VTEP地址，协议的其余部分和传统网络相同。

VXlan 通信

下面简要说明VXLAN网络中的通信过程。对于处于同一个VXLAN的两台虚拟终端，其通信过程可以概括为如下的步骤：
① 发送方向接收方发送数据帧，帧中包含了发送方和接收方的虚拟MAC地址。
② 发送方连接的VTEP节点收到了数据帧，通过查找发送方所在的VXLAN以及接收方所连接的VTEP节点，将该报文添加VXLAN首部、外部UDP首部、外部IP首部后，发送给目的VTEP节点。
③ 报文经过物理网络传输到达目的VTEP节点。
④ 目的VTEP节点接收到报文后，拆除报文的外部IP首部和外部UDP首部，检查报文的VNI以及内部数据帧的目的MAC地址，确认接收方与本VTEP节点相连后，拆除VXLAN首部，将内部数据帧交付给接收方。
⑤ 接收方收到数据帧，传输完成。
通过以上的步骤可以看出：VXLAN的实现细节以及通信过程对于处于VXLAN中的发送方和接收方是不可见的，基于发送方和接收方的视角，其通信过程和二者真实处于同一链路层网络中的情况完全相同。
以上通信方式可以用下图来描述：

另外一篇文章对Vxlan通信讲解

VXLAN 在 VTEP 间建立隧道，通过 Layer 3 网络传输封装后的 Layer 2 数据。
下面的例子演示了数据如何在 VXLAN 上传输：

图中 Host-A 和 Host-B 位于 VNI 10 的 VXLAN，通过 VTEP-1 和 VTEP-2 之间建立的 VXLAN 隧道通信。
数据传输过程如下：

Host-A 向 Host-B 发送数据时，Host-B 的 MAC 和 IP 作为数据包的目标 MAC 和 IP，Host-A 的 MAC 作为数据包的源 MAC 和 IP，然后通过 VTEP-1 将数据发送出去。

VTEP-1 从自己维护的映射表中找到 MAC-B 对应的 VTEP-2，然后执行 VXLAN 封装，加上 VXLAN 头，UDP 头，以及外层 IP 和 MAC 头。此时的外层 IP 头，目标地址为 VTEP-2 的 IP，源地址为 VTEP-1 的 IP。同时由于下一跳是 Router-1，所以外层 MAC 头中目标地址为 Router-1 的 MAC。

数据包从 VTEP-1 发送出去后，外部网络的路由器会依据外层 IP 头进行包路由，最后到达与 VTEP-2 连接的路由器 Router-2。

Router-2 将数据包发送给 VTEP-2。VTEP-2 负责解封数据包，依次去掉外层 MAC 头，外层 IP 头，UDP 头 和 VXLAN 头。

VTEP-2 依据目标 MAC 地址将数据包发送给 Host-B。

上面的流程我们看到 VTEP 是 VXLAN 的最核心组件，负责数据的封装和解封。
隧道也是建立在 VTEP 之间的，VTEP 负责数据的传送。

相关链接：
1、http://www.cnblogs.com/CloudMan6/p/6034721.html
2、https://blog.csdn.net/octopusflying/article/details/77609199