云计算Overlay网络

1 云计算虚拟化网络的挑战与革新

在云中，虚拟计算负载的高密度增长及灵活性迁移在一定程度上对网络产生了压力，然而当前虚拟机的规模与可迁移性受物理网络能力约束，云中的业务负载不能与物理网络脱离。

 虚拟机迁移范围受到网络架构限制

由 于虚拟机迁移的网络属性要求，其从一个物理机上迁移到另一个物理机上，要求虚拟机不间断业务，则需要其IP地址、MAC地址等参数维保持不变，如此则要求 业务网络是一个二层网络，且要求网络本身具备多路径多链路的冗余和可靠性。传统的网络生成树(STPSpaning Tree Protocol)技术不仅部署繁琐，且协议复杂，网络规模不宜过大，限制了虚拟化的网络扩展性。基于各厂家私有的的IRF/vPC等设备级的（网络 N:1）虚拟化技术，虽然可以简化拓扑简化、具备高可靠性的能力，但是对于网络有强制的拓扑形状限制，在网络的规模和灵活性上有所欠缺，只适合小规模网络 构建，且一般适用于数据中心内部网络。而为了大规模网络扩展的TRILL/SPB/FabricPath/VPLS等技术，虽然解决了上述技术的不足，但 对网络有特殊要求，即网络中的设备均要软硬件升级而支持此类新技术，带来部署成本的上升。

 虚拟机规模受网络规格限制

在 大二层网络环境下，数据流均需要通过明确的网络寻址以保证准确到达目的地，因此网络设备的二层地址表项大小（(即MAC地址表))，成为决定了云计算环境 下虚拟机的规模的上限，并且因为表项并非百分之百的有效性，使得可用的虚机数量进一步降低，特别是对于低成本的接入设备而言，因其表项一般规格较小，限制 了整个云计算数据中心的虚拟机数量，但如果其地址表项设计为与核心或网关设备在同一档次，则会提升网络建设成本。虽然核心或网关设备的MAC与ARP规格 会随着虚拟机增长也面临挑战，但对于此层次设备能力而言，大规格是不可避免的业务支撑要求。减小接入设备规格压力的做法可以是分离网关能力，如采用多个网 关来分担虚机的终结和承载，但如此也会带来成本的上升。

 网络隔离/分离能力限制

当 前的主流网络隔离技术为VLAN（或VPN），在大规模虚拟化环境部署会有两大限制：一是VLAN数量在标准定义中只有12个比特单位，即可用的数量为 4000个左右，这样的数量级对于公有云或大型虚拟化云计算应用而言微不足道，其网络隔离与分离要求轻而易举会突破4000；二是VLAN技术当前为静态 配置型技术（只有EVB/VEPA的802.1Qbg技术可以在接入层动态部署VLAN，但也主要是在交换机接主机的端口为常规部署，上行口依然为所有 VLAN配置通过)，这样使得整个数据中心的网络几乎为所有VLAN被允许通过(核心设备更是如此)，导致任何一个VLAN的未知目的广播数据会在整网泛 滥，无节制消耗网络交换能力与带宽。

对于小规模的云计算虚拟化环境，现有的网络技术如虚拟机接入感知 (VEPA/802.1Qbg)、数据中心二层网络扩展(IRF/vPC/TRILL/FabricPath)、数据中心间二层技术(OTV/EVI /TRILL)等可以很好的满足业务需求，上述限制不成为瓶颈。然而，完全依赖于物理网络设备本身的技术改良，目前看来并不能完全解决大规模云计算环境下 的问题，一定程度上还需要更大范围的技术革新来消除这些限制，以满足云计算虚拟化的网络能力需求。在此驱动力基础上，逐步演化出Overlay的虚拟化网 络技术趋势。

2 Overlay虚拟化网络的技术标准及比较

2.1 Overlay技术形态

Overlay 在网络技术领域，指的是一种网络架构上叠加的虚拟化技术模式，其大体框架是对基础网络不进行大规模修改的条件下，实现应用在网络上的承载，并能与其它网络 业务分离，并且以基于IP的基础网络技术为主（如图2所示）。其实这种模式是以对传统技术的优化而形成的。早期的就有标准支持了二层Overlay技术， 如RFC3378(Ethernet in IP)，就是早期的在IP上的二层Overlay技术。并且基于Ethernet over GRE的技术，H3C与Cisco都在物理网络基础上发展了各自的私有二层Overlay技术——EVI(Ethernet Virtual Interconnection)与OTV(Overlay Transport Virtualization)。EVI与OTV都主要用于解决数据中心之间的二层互联与业务扩展问题，并且对于承载网络的基本要求是IP可达，部署上简 单且扩展方便。

Overlay网络模型

随 着云计算虚拟化的驱动，基于主机虚拟化的Overlay技术出现，在服务器的Hypervisor内vSwitch上支持了基于IP的二层Overlay 技术，从更靠近应用的边缘来提供网络虚拟化服务，其目的是使虚拟机的部署与业务活动脱离物理网络及其限制，使得云计算的网络形态不断完善。（如图3所示） 主机的vSwitch支持基于IP的Overlay之后，虚机的二层访问直接构建在Overlay之上，物理网不再感知虚机的诸多特性，由 此，Overlay可以构建在数据中心内，也可以跨越数据中心之间。

2.2 Overlay如何解决当前的主要问题

针对前文提出的三大技术挑战，Overlay在很大程度上提供了全新的解决方式。

 针对虚机迁移范围受到网络架构限制的解决方式

Overlay 是一种封装在IP报文之上的新的数据格式，因此，这种数据可以通过路由的方式在网络中分发，而路由网络本身并无特殊网络结构限制，具备良性大规模扩展能 力，并且对设备本身无特殊要求，以高性能路由转发为佳，且路由网络本身具备很强的的故障自愈能力、负载均衡能力。采用Overlay技术后，企业部署的现 有网络便可用于支撑新的云计算业务，改造难度极低(除性能可能是考量因素外，技术上对于承载网络并无新的要求)。

 针对虚机规模受网络规格限制的解决方式

虚 拟机数据封装在IP数据包中后，对网络只表现为封装后的的网络参数，即隧道端点的地址，因此，对于承载网络（特别是接入交换机），MAC地址规格需求极大 降低，最低规格也就是几十个（每个端口一台物理服务器的隧道端点MAC）。当然，对于核心/网关处的设备表项(MAC/ARP)要求依然极高，当前的解决 方案仍然是采用分散方式，通过多个核心/网关设备来分散表项的处理压力。(另一种更分散的方式便是虚拟网络路由服务方式，详见后文描述)。

 针对网络隔离/分离能力限制的解决方式

针 对VLAN数量4000以内的限制，在Overlay技术中引入了类似12比特VLAN ID的用户标识，支持千万级以上的用户标识，并且在Overlay中沿袭了云计算“租户”的概念，称之为Tenant ID(租户标识)，用24或64比特表示。针对VLAN技术下网络的TRUANK ALL(VLAN穿透所有设备)的问题，Overlay对网络的VLAN配置无要求，可以避免网络本身的无效流量带宽浪费，同时Overlay的二层连通 基于虚机业务需求创建，在云的环境中全局可控。