vxlan介绍

 一、什么是vxlan
        vxlan（Virtual eXtensible Local Area Network）从字面来看是vlan的扩展协议。vxlan对于vlan都扩展了哪些特性呢？
        1）、支持的网络数量。由于vlan Header头部限长是12bit, 导致vlan的限制个数是2^12=4096个,无法满足日益增长的需求，尤其是在公有云中。目前 VXLAN 的报文 Header 内有 24 bit，可以支持 2^24次方的 VNI （VXLAN Network Identifier）个数(VXLAN中通过 VNI 来识别，相当于VLAN ID)。
       2）、overlay网络。overlay网络就是叠加网络，是指在物理网络之上，通过某种技术再构建一张网络，这张网络可以看成是逻辑的网络，但它具有物理网络的所有特性。vlan只是单纯的对物理网络进行划分、隔离，ip、mac在整个物理网络（所有vlan）内部必须是唯一的。vxlan是在物理网络之上构建出的网络，这个网络通过vxlan来划分。ip、mac只需要在某个vxlan网络内部唯一即可。
       3）、隧道技术。vxlan和vlan一样提供的是二层服务。vlan报文只能在二层网络之间传播，不能跨三层网络，而vxlan报文可以跨越三层网络，实现大二层网络。vxlan跨越三层网络的技术就是在VETP（VXLAN Tunnel End Point）之间建立vxlan隧道。vxlan隧道是基于IP创建的。vxlan报文在vxlan隧道传输时是采用mac in udp方式，即vxlan报文外面封装了ether/IP/UDP三层报文，使用UDP协议进行传输。下图是vxlan网络中dhcp request报文在vxlan隧道中传输时的包结构。

         

                
二、vxlan报文格式

        1）vxlan header

        共计8个字节，目前使用的是Flags中的一个8bit的标识位和24bit的VNI(Vxlan Network identifier)，其余部分没有定义，但是在使用的时候必须设置为0x0000。

        2）外层的UDP报头

         目的端口使用4798，但是可以根据需要进行修改。同事UDP的校验和必须设置成全0。

        3） IP报文头

        目的IP地址可以是单播地址，也可以是多播地址。单播情况下，目的IP地址是VTEP的IP地址。在多播情况下引入VXLAN管理层。    
        protocol：设置值为0x11，显示说明这是UDP数据包
        Source ip: 源vTEP_IP;
        Destination ip: 目的VTEP IP。

        4） Ethernet Header
        Destination Address：目的VTEP的Mac 地址，即为本地下一跳的地址(通常是网关Mac 地址)；
        VLAN: VLAN Type被设置为0x8100， 并可以设置Vlan Id tag(这就是vxlan的vlan 标签)。
        Ethertype：设置值为0x8000，指明数据包为IPv4的。

三、VETP
        VETP（VXLAN Tunnel End Point），vxlan隧道的终点，用于对VXLAN报文进行封装/解封装，包括ARP请求报文和正常的VXLAN数据报文，在一段封装报文后通过隧道向另一端VTEP发送封装报文，另一端VTEP接收到封装的报文解封装后根据封装的MAC地址进行封装。
        VXLAN不会在虚拟机之间维持一个长连接，所以VXLAN需要一个控制平面来记录对端地址可达情况。控制平面的表为(VNI，内层MAC，外层vtep_ip)。Vxlan学习地址的时候仍然保存着二层协议的特征，节点之间不会周期性的交换各自的路由表，对于不认识的MAC地址，VXLAN依靠组播来获取路径信息(如果有SDN Controller，可以向SDN单播获取)。

        另一方面，VXLAN还有自学习的功能，当VTEP收到一个UDP数据报后，会检查自己是否收到过这个虚拟机的数据，如果没有，VTEP就会记录源vni/源外层ip/源内层mac对应关系，避免组播学习。 

 
四、vxlan网络vm间通信

        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的出端口，将数据包发给VM2
        4）、  VM2接收并处理数据包，拿到Payload数据。
五、vxlan性能
        1）l2 population
        从上一章节VM间通信可以知道，VM1想要知道VM2的mac地址时，会发送多播包，发给VNI=864的vxlan网络，如果有多台VM同事发送多播包，或造成广播风暴。

        L2 Population 的作用是在 VTEP 上提供 Porxy ARP 功能，使得 VTEP 能够预先获知 VXLAN 网络中如下信息： 
            a). VM IP – MAC 对应关系 
            b). VM – VTEP 的对应关系

        当 VM1需要与 VM2通信时： 
            a). VTEP1直接响应 VM1的 APR 请求，告之VM2 的MAC 地址。 
            b). 因为VTEP1知道 VM2位于VTEP2，会将封装好的 VXLAN 数据包直接发送给VTEP2。 

        2）mtu
        由于vxlan报文封装较多，vxlan隧道传输的报文会大于1500（即网卡的默认mtu值），会造成数据包分片，降低传输速率。所以，在实际传输中需要调大网卡的mtu值。
         另外，部分网卡驱动已经实现对vxlan数据包的处理，可以直接应用在vxlan网络中，提升vxlan的传输性能。

六、vxlan间通信
        vxlan提供的是二层服务，不同的vxlan网络之间通信需要使用路由器或者vxlan网关。
 

参考资料：
1、 http://www.aboutyun.com/thread-11189-1-1.html
2、 http://www.cnblogs.com/hbgzy/p/5279269.html
3、 http://blog.csdn.net/freezgw1985/article/details/16354897