vlan与vxlan

简介

VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network）或许是目前最热门的网络虚拟化技术。网络虚拟化是指在一套物理网络设备上虚拟出多个二层网络。VXLAN由RFC7348定义，这是2014年定稿的一个协议，VXLAN协议将Ethernet帧封装在UDP内，再加上8个字节的VXLAN header，用来标识不同的二层网络。

VLAN（Virtual Local Network）在1998年就提出了第一稿，并且得到广泛的应用，VLAN直接在Ethernet帧的头部加上4个字节的VLAN Tag，用来标识不同的二层网络。VLAN已经在大部分的网络设备和操作系统中得到了支持，它处理起来也比较简单，在读取Ethernet数据的时候，只需要根据EtherType相应的偏移4个字节就行。相比之下，VXLAN因为提出的较晚，在设备上的支持率不如VLAN，而且，VXLAN数据的封装解封装，要比VLAN复杂的多

VXLAN与VLAN的最大区别在于，VLAN只是修改了原始的Ethernet Header，但是整个网络数据包还是原来那个数据包，而VXLAN是将原始的Ethernet Frame隐藏在UDP数据里面。经过VTEP封装之后，在网络线路上看起来只有VTEP之间的UDP数据传递，原始的网络数据包被掩盖了.
VXLAN并不是凭空出现，这种在UDP里面封装网络数据的做法，在VXLAN之前就已经存在，例如OTV（Overlay Transport Virtualization）和LISP（Locator/ID Separation Protocol）。

使用vxlan的原因

• 交换机 MAC 地址表限制
  VLAN tag 总共有 4 个字节，其中有 12 bit 用来标识不同的二层网络（即 LAN ID），故而最多只能支持 2^12
  ，即 4096 个子网的划分。而虚拟化（虚拟机和容器）的兴起使得一个数据中心会有成千上万的机器需要通信，这时候 VLAN 就无法满足需求了。而 VXLAN 的报文 Header 预留了 24 bit 来标识不同的二层网络（即 VNI，VXLAN Network Identifier），即 3 个字节，可以支持 2^24 个子网。

• 虚机或容器迁移范围受限
  对于同网段主机的通信而言，报文到底交换机后都会查询 MAC 地址表进行二层转发。数据中心虚拟化之后，VM 的数量与原有的物理机相比呈数量级增长，而应用容器化之后，容器与 VM 相比也是呈数量级增长。。。而交换机的内存是有限的，因而 MAC 地址表也是有限的，随着虚拟机（或容器）网卡 MAC 地址数量的空前增加，交换机表示压力山大啊！

  而 VXLAN 就厉害了，它用 VTEP（后面会解释）将二层以太网帧封装在 UDP 中，一个 VTEP 可以被一个物理机上的所有 VM（或容器）共用，一个物理机对应一个 VTEP。从交换机的角度来看，只是不同的 VTEP 之间在传递 UDP 数据，只需要记录与物理机数量相当的 MAC 地址表条目就可以了，一切又回到了和从前一样。

• 虚机或容器迁移范围受限
  VLAN 与物理网络融合在一起，不存在 Overlay 网络，带来的问题就是虚拟网络不能打破物理网络的限制。举个例子，如果要在 VLAN 100 部署虚拟机（或容器），那只能在支持 VLAN 100 的物理设备上部署。

  VLAN 其实也有解决办法，就是将所有的交换机 Trunk 连接起来，产生一个大的二层，这样带来的问题就是广播域过分扩大，也包括更多未知的单播和多播，即 BUM（Broadcast，Unknown Unicast，Multicast），同时交换机 MAC 地址表也会有承受不住的问题。

  而 VXLAN 将二层以太网帧封装在 UDP 中（上面说过了），相当于在三层网络上构建了二层网络。这样不管你物理网络是二层还是三层，都不影响虚拟机（或容器）的网络通信，也就无所谓部署在哪台物理设备上了，可以随意迁移。

VXLAN 协议原理

vxlan常见术语

• VTEP（VXLAN Tunnel Endpoints，VXLAN 隧道端点）
  VXLAN 网络的边缘设备，用来进行 VXLAN 报文的处理（封包和解包）。VTEP 可以是网络设备（比如交换机），也可以是一台机器（比如虚拟化集群中的宿主机）。

• VNI（VXLAN Network Identifier，VXLAN 网络标识符）
  VNI 是每个 VXLAN 段的标识，是个 24 位整数，一共有 2^24 =16777216（一千多万），一般每个 VNI 对应一个租户，也就是说使用 VXLAN 搭建的公有云可以理论上可以支撑千万级别的租户
  vxlan协议报文格式如下：

• Tunnel（VXLAN 隧道）

  隧道是一个逻辑上的概念，在 VXLAN 模型中并没有具体的物理实体向对应。隧道可以看做是一种虚拟通道，VXLAN 通信双方认为自己是在直接通信，并不知道底层网络的存在。从整体来说，每个 VXLAN 网络像是为通信的虚拟机搭建了一个单独的通信通道，也就是隧道。

vxlan工作模型

它创建在原来的 IP 网络（三层）上，只要是三层可达（能够通过 IP 相互通信）的网络就能部署 VXLAN。在 VXLAN 网络的每个端点都有一个 VTEP 设备，负责 VXLAN 协议报文的解包和封包，也就是在虚拟报文上封装 VTEP 通信的报文头部。

物理网络上可以创建多个 VXLAN 网络，可以将这些 VXLAN 网络看成一个隧道，不同节点上的虚拟机/容器能够通过隧道直连。通过 VNI 标识不同的 VXLAN 网络，使得不同的 VXLAN 可以相互隔离。

• VXLAN Header : 在原始二层帧的前面增加 8 字节的 VXLAN 的头部，其中最主要的是 VNID，占用 3 个字节（即 24 bit），类似 VLAN ID，可以具有 2^{24}2
  24个网段。
• UDP Header : 在 VXLAN 和原始二层帧的前面使用 8 字节 UDP 头部进行封装（MAC IN UDP），目的端口号缺省使用 4789，源端口按流随机分配（通过 MAC，IP，四层端口号进行 hash 操作）， 这样可以更好的做 ECMP。

在上面添加的二层封装之后，再添加底层网络的 IP 头部（20 字节）和 MAC 头部（14 字节），这里的 IP 和 MAC 是宿主机的 IP 地址和 MAC 地址。

同时，这里需要注意 MTU 的问题，传统网络 MTU 一般为 1500，这里加上 VXLAN 的封装多出的（36+14/18，对于 14 的情况为 access 口，省去了 4 字节的 VLAN Tag）50 或 54 字节，需要调整 MTU 为 1550 或 1554，防止频繁分包。

字段	长度	含义
Source Port	16 bit	源端口号是内层以太
Dest Port	16 bit	目的 UDP 端口号是 4789
UDP Length	16 bit	UDP 数据包长度
UDP Checksum	16 bit	UDP 数据包校验和
VXLAN Header	VXLAN Flags	8 bit 取值为 00001000
Reserved_1	24 bit	保留字段，必须设置为 0
VXLAN Network Identifier	24 bit	VXLAN 网络标识，用于区分 VXLAN 段
Reserved_2	8 bit	保留字段，必须设置为 0