带你了解VXLAN网络中报文的转发机制
摘要：本节以集中式VXLAN网络（手工方式建立VXLAN隧道）为例，分别介绍相同子网内、不同子网间是如何进行通信的。在了解转发机制的前提下，我们先来看下VXLAN网关有哪些种类。
VXLAN二层网关与三层网关
和VLAN类似，不同VNI之间的主机，以及VXLAN网络和非VXLAN网络中的主机不能直接相互通信。为了满足这些通信需求，VXLAN引入了VXLAN网关的概念。VXLAN网关分为二层网关和三层网关：
- VXLAN二层网关：用于终端接入VXLAN网络，也可用于同一VXLAN网络的子网通信。
- VXLAN三层网关：用于VXLAN网络中跨子网通信以及访问外部网络。
VXLAN集中式网关与分布式网关
根据三层网关部署方式的不同，VXLAN三层网关又可以分为集中式网关和分布式网关。
VXLAN集中式网关
集中式网关是指将三层网关集中部署在一台设备上，如下图所示，所有跨子网的流量都经过这个三层网关转发，实现流量的集中管理。
图1-10 VXLAN集中式网关组网图
部署集中式网关的优点和缺点如下：
- 优点：对跨子网流量进行集中管理，网关的部署和管理比较简单。
- 缺点：
- 转发路径不是最优：同一二层网关下跨子网的数据中心三层流量都需要经过集中三层网关绕行转发（如图中蓝色虚线所示）。
- ARP表项规格瓶颈：由于采用集中三层网关，通过三层网关转发的终端的ARP表项都需要在三层网关上生成，而三层网关上的ARP表项规格有限，这不利于数据中心网络的扩展。
VXLAN分布式网关
通过部署分布式网关可以解决集中式网关部署的缺点。VXLAN分布式网关是指在典型的“Spine-Leaf”组网结构下，将Leaf节点作为VXLAN隧道端点VTEP，每个Leaf节点都可作为VXLAN三层网关（同时也是VXLAN二层网关），Spine节点不感知VXLAN隧道，只作为VXLAN报文的转发节点。如下图所示，Server1和Server2不在同一个网段，但是都连接到同一个Leaf节点。Server1和Server2通信时，流量只需要在该Leaf节点上转发，不再需要经过Spine节点。
部署分布式网关时：
- Spine节点：关注于高速IP转发，强调的是设备的高速转发能力。
- Leaf节点：
- 作为VXLAN网络中的二层网关设备，与物理服务器或VM对接，用于解决终端租户接入VXLAN虚拟网络的问题。
- 作为VXLAN网络中的三层网关设备，进行VXLAN报文封装/解封装，实现跨子网的终端租户通信，以及外部网络的访问。
图1-11 VXLAN分布式网关示意图
VXLAN分布式网关具有如下特点：
- 同一个Leaf节点既可以做VXLAN二层网关，也可以做VXLAN三层网关，部署灵活。
- Leaf节点只需要学习自身连接服务器的ARP表项，而不必像集中三层网关一样，需要学习所有服务器的ARP表项，解决了集中式三层网关带来的ARP表项瓶颈问题，网络规模扩展能力强。
VXLAN网络中报文转发机制
集中式VXLAN中同子网互通流程
如图1-12所示，VM_A、VM_B和VM_C同属于10.1.1.0/24网段，且同属于VNI 5000。此时，VM_A想与VM_C进行通信。
由于是首次进行通信，VM_A上没有VM_C的MAC地址，所以会发送ARP广播报文请求VM_C的MAC地址。
图1-12 同子网VM互通组网图
下面就让我们根据ARP请求报文及ARP应答报文的转发流程，来看下MAC地址是如何进行学习的。
ARP请求报文转发流程
结合图1-13，我们来一起了解一下ARP请求报文的转发流程。
图1-13 ARP请求报文转发流程示意
- VM_A发送源MAC为MAC_A、目的MAC为全F、源IP为IP_A、目的IP为IP_C的ARP广播报文，请求VM_C的MAC地址。
- VTEP_1收到ARP请求后，根据二层子接口上的配置判断报文需要进入VXLAN隧道。确定了报文所属BD后，也就确定了报文所属的VNI。同时，VTEP_1学习MAC_A、VNI和报文入接口（Port_1，即二层子接口对应的物理接口）的对应关系，并记录在本地MAC表中。之后，VTEP_1会根据头端复制列表对报文进行复制，并分别进行封装。
可以看到，这里封装的外层源IP地址为本地VTEP（VTEP_1）的IP地址，外层目的IP地址为对端VTEP（VTEP_2和VTEP_3）的IP地址；外层源MAC地址为本地VTEP的MAC地址，而外层目的MAC地址为去往目的IP的网络中下一跳设备的MAC地址。封装后的报文，根据外层MAC和IP信息，在IP网络中进行传输，直至到达对端VTEP。
- 报文到达VTEP_2和VTEP_3后，VTEP对报文进行解封装，得到VM_A发送的原始报文。同时，VTEP_2和VTEP_3学习VM_A的MAC地址、VNI和远端VTEP的IP地址（IP_1）的对应关系，并记录在本地MAC表中。之后，VTEP_2和VTEP_3根据二层子接口上的配置对报文进行相应的处理并在对应的二层域内广播。
VM_B和VM_C接收到ARP请求后，比较报文中的目的IP地址是否为本机的IP地址。VM_B发现目的IP不是本机IP，故将报文丢弃；VM_C发现目的IP是本机IP，则对ARP请求做出应答。下面，让我们看下ARP应答报文是如何进行转发的。
ARP应答报文转发流程
结合图1-14，我们来一起了解一下ARP应答报文的转发流程。
图1-14 ARP应答报文转发流程示意
- 由于此时VM_C上已经学习到了VM_A的MAC地址，所以ARP应答报文为单播报文。报文源MAC为MAC_C，目的MAC为MAC_A，源IP为IP_C、目的IP为IP_A。
- VTEP_3接收到VM_C发送的ARP应答报文后，识别报文所属的VNI（识别过程与步骤②类似）。同时，VTEP_3学习MAC_C、VNI和报文入接口（Port_3）的对应关系，并记录在本地MAC表中。之后，VTEP_3对报文进行封装。
可以看到，这里封装的外层源IP地址为本地VTEP（VTEP_3）的IP地址，外层目的IP地址为对端VTEP（VTEP_1）的IP地址；外层源MAC地址为本地VTEP的MAC地址，而外层目的MAC地址为去往目的IP的网络中下一跳设备的MAC地址。
封装后的报文，根据外层MAC和IP信息，在IP网络中进行传输，直至到达对端VTEP。
- 报文到达VTEP_1后，VTEP_1对报文进行解封装，得到VM_C发送的原始报文。同时，VTEP_1学习VM_C的MAC地址、VNI和远端VTEP的IP地址（IP_3）的对应关系，并记录在本地MAC表中。之后，VTEP_1将解封装后的报文发送给VM_A。
至此，VM_A和VM_C均已学习到了对方的MAC地址。之后，VM_A和VM_C将采用单播方式进行通信。单播报文的封装与解封装过程，与图1-14中所展示的类似，本文就不再赘述啦！
集中式VXLAN中不同子网互通流程
如图1-16所示，VM_A和VM_B分别属于10.1.10.0/24网段和10.1.20.0/24网段，且分别属于VNI 5000和VNI 6000。VM_A和VM_B对应的三层网关分别是VTEP_3上BDIF 10和BDIF 20的IP地址。VTEP_3上存在到10.1.10.0/24网段和10.1.20.0/24网段的路由。此时，VM_A想与VM_B进行通信。
图1-15 不同子网VM互通流程示意
由于是首次进行通信，且VM_A和VM_B处于不同网段，VM_A需要先发送ARP广播报文请求网关（BDIF 10）的MAC。获得网关的MAC后，VM_A先将数据报文发送给网关；之后网关也将发送ARP广播报文请求VM_B的MAC，获得VM_B的MAC后，网关再将数据报文发送给VM_B。以上MAC地址学习的过程与集中式VXLAN中同子网互通流程中MAC地址学习的流程一致，不再赘述。现在假设VM_A和VM_B均已学到网关的MAC、网关也已经学到VM_A和VM_B的MAC，下面就让我们看下数据报文是如何从VM_A发送到VM_B的。
图1-16 不同子网VM互通报文转发流程
如上图所示，数据报文从VM_A发送到VM_B的流程如下：
- VM_A先将数据报文发送给网关。报文的源MAC为MAC_A，目的MAC为网关BDIF 10的MAC_10，源IP地址为IP_A，目的IP为IP_B。
- VTEP_1收到数据报文后，识别此报文所属的VNI（VNI 5000），并根据MAC表项对报文进行封装。可以看到，这里封装的外层源IP地址为本地VTEP的IP地址（IP_1），外层目的IP地址为对端VTEP的IP地址（IP_3）；外层源MAC地址为本地VTEP的MAC地址（MAC_1），而外层目的MAC地址为去往目的IP的网络中下一跳设备的MAC地址。
封装后的报文，根据外层MAC和IP信息，在IP网络中进行传输，直至到达对端VTEP。
- 报文进入VTEP_3，VTEP_3对报文进行解封装，得到VM_A发送的原始报文。然后，VTEP_3会对报文做如下处理：
封装后的报文，根据外层MAC和IP信息，在IP网络中进行传输，直至到达对端VTEP。
- VTEP_3发现该报文的目的MAC为本机BDIF 10接口的MAC，而目的IP地址为IP_B（10.1.20.1），所以会根据路由表查找到IP_B的下一跳。
- 发现下一跳为10.1.20.10，出接口为BDIF 20。此时VTEP_3查询ARP表项，并将原始报文的源MAC修改为BDIF 20接口的MAC（MAC_20），将目的MAC修改为VM_B的MAC（MAC_B）。
- 报文到BDIF 20接口时，识别到需要进入VXLAN隧道（VNI 6000），所以根据MAC表对报文进行封装。这里封装的外层源IP地址为本地VTEP的IP地址（IP_3），外层目的IP地址为对端VTEP的IP地址（IP_2）；外层源MAC地址为本地VTEP的MAC地址（MAC_3），而外层目的MAC地址为去往目的IP的网络中下一跳设备的MAC地址。
报文到达VTEP_2后，VTEP_2对报文进行解封装，得到内层的数据报文，并将其发送给VM_B。
VM_B回应VM_A的流程与上述过程类似，本文就不再赘述啦！
本文分享自华为云社区《为VXLAN技术介绍：什么是VXLAN-002》，原文作者：The one。
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