01- k8s基础网络知识 之 underlay与overlay网络

前言：
我们在学习k8s网络之前，必须要了解k8s网络相关的一些基础知识，比如什么是underlay网络、overlay网络等，只有把基础知识掌握之后，后续学习k8s网络的时候，一些知识点就不会再云里雾里了。

1 underlay与overlay网络

1.1 概念

Underlay网络是Overlay网络的底层物理基础，它是由各种物理设备和网络组成的，负责网络之间的数据包传输。具体来说，Underlay网络包括但不限于物理设备如：交换机、路由器、防火墙、负载均衡器和入侵检测系统等，它们通过物理线路连接起来，形成了一个传统的物理网络。这个物理网络可能包括有线和无线介质，如铜线、光纤和无线电波。

Underlay网络的特点在于它的物理性和稳定性，它是整个网络的基础，而Overlay网络则是构建在这些基础网络之上的虚拟网络。Overlay网络利用了Underlay网络提供的硬件设施和服务，在不改变Underlay网络结构的前提下，通过隧道技术或其他虚拟化技术在上面创建虚拟逻辑网络。这样做可以在不进行大规模网络改造的情况下，实现应用的承载并与其他网络业务分离。

例如，在数据中心环境中，Underlay网络可能是由Spine-Leaf架构构成的，其中Leaf节点负责接入不同的服务和设备，而Spine节点则执行核心功能，如路由和交换。而Overlay是基于软件的，它是Underlay物理网络之上的虚拟网络，Overlay网络的一个典型例子是Internet VPN ，它在Internet上通过使用IPsec等协议构建虚拟网络，使私有 IP地址的通信成为可能，此外，SDN和SD-WAN也采用了Overlay网络的概念。

总结来说，Underlay网络是支持Overlay网络运行的基础网络层，它提供了网络基础设施和物理连接，而Overlay网络则在此基础上构建和应用虚拟网络和服务。

谈了那么多，只是为了解释：

• Overlay，顾名思义，上层的，或者说，业务层面的、用户层面的，overlay traffic 是指用户业务流量。
• 而与overlay所对应的是underlay，顾名思义，下层的，或者说，基础架构层，专门用于承载用户流量的传统底层网络。

1.2 Overlay网络

1.2.1 Overlay的来源

先来看看Overlay这个词的来源。


Cisco在Nexus 7K平台（思科的交换机相关产品）率先推出一个技术，名字叫OTV（Overlay Transport Virtualization)，后来又推广到ASK1000平台，这个OTV是干嘛的呢？


举个例子
客户有几个数据中心，分布在五湖四海，希望有一种解决方案，可以跨越Internet使这几个数据中心互联起来，比如使用VPN相关技术使之互联起来，客户说了，无论使用什么手段互联，但一定要提供大二层扩展。

小知识：什么是大二层扩展？
通俗地说，就是几个数据中心处于一个广播域里，比如一个主机发ARP广播，可以到达所有的数据中心，这样这个大二层的主机、服务器可以直接通信，无论它移动到什么位置（数据中心），只要它的VLAN不变，就可以保持自己的IP不变。（大二层网络这种网络解决方案，主要是为了解决数据中心虚拟机动态迁移这一特定需求而出现的，点击这里查看具体介绍）

OTV
OTV恰恰可以满足用户的需求，这个方案最大的优点，就是不管数据中心是如何互联，只是在数据中心之间IP可达，就可以在Edge Device上建立OTV隧道，这是一种UDP隧道，将用户的二层及以上的协议头、数据全部封装在自己的负载里。

1.2.2 VxLAN的来源

（下面的内容，我们接着上一小节继续讲。）


但是，由于OTV是Cisco 的私有实现，并没有获得广泛的支持。而由此技术理念为蓝本实现的一个协议 VxLAN（virtual Extensible LAN虚拟可扩展局域网），在2011年的VMworld大会上，被VMware提出，VXLAN技术是VMware、CISCO、Arista、Broadcom、Citrix和Redhat等厂商共同开发用于虚拟网络的技术。


VxLAN由于是基于业界标准被提出的，便很快获得了广泛支持，其原理和OVT非常相似，在此协议里提出了一个比VLAN更大的隔离空间概念，VxLAN ID由于有24位，可以提供多达1600万个隔离空间，而普通的VLAN只有4096个隔离空间（即一台交换机最多可以分4096个VLAN ID），很显然无法隔离海量的虚拟用户空间。

VXLAN协议是目前最流行的Overlay网络隧道协议之一，它采用L2 over L4（MAC-in-UDP）的报文封装模式，最终将二层报文用三层协议进行封装，可实现二层网络在三层范围内进行扩展，将“二层域”突破规模限制形成“大二层域”。 通过OverLay技术，可以在对物理网络不做任何改造的情况下，在现有的物理网络上创建了一个或多个逻辑网络，满足数据中心大二层虚拟迁移和多租户的需求。


Overlay协议：VXLAN、NVGRE、GRE、OTV、OMP、mVPN

1.2.2.1 VXLAN隧道是如何建立的？

VXLAN隧道是如何建立的？什么是VXLAN中的VTEP和VNI？

VXLAN中的两个重要概念：

• VTEP（VXLAN Tunnel Endpoint）
• VNI（VXLAN Network Identifier）
  
  

VXLAN隧道的建立就是通过使用VTEP和VNI来实现的。


VTEP 是VXLAN中的隧道端点，在每个VXLAN网络中都有一个或多个VTEP设备。VTEP设备是在传统网络设备上添加VXLAN功能，其主要功能是：将数据报文封装为VXLAN报文，并将其传输到目标VTEP设备。VTEP设备同时也负责解封装接收的VXLAN报文，并将其还原为原始数据报文。VTEP对数据报文的封装和解封装是通过添加和剥离VXLAN报文头部来完成的。


VNI 是VXLAN中的网络标识符，用于区分不同的VXLAN网络。每个VXLAN网络都有一个唯一的VNI，其范围是1到16777215。VNI标识了VXLAN报文的宿主子网，使得不同子网中的虚拟机可以通过VXLAN隧道进行通信。VNI是在VXLAN头部中的VXLAN网络标识符字段中进行设置的。

如图：

VXLAN隧道的建立是通过VTEP设备之间的通信来实现的。具体的建立过程如下：

1. VTEP设备通过组播或单播方式进行VXLAN通信的配置，以确保它们能够互相通信。组播方式可以提供更好的扩展性和冗余性。

2. VTEP设备在本地维护一个VNI到MAC地址的转发表，用于确定VXLAN报文的目标MAC地址。当接收到需要发送的数据报文时，VTEP设备会根据转发表确定目标VTEP设备。

3. 发送方的VTEP设备将数据报文封装为VXLAN报文。封装过程包括在数据报文前面添加VXLAN报文头部，其中包含了目标VTEP设备的信息，以及源和目标VNI。

4. VTEP设备将封装后的VXLAN报文通过底层网络发送到目标VTEP设备。底层网络可以是物理网络也可以是虚拟网络，如网络隧道。

5. 目标VTEP设备接收到VXLAN报文后，根据报文头部的目标VNI和目标MAC地址信息，将报文解封装为原始数据报文。

6. VTEP设备将解封装后的原始数据报文发送到目标主机。
   
   

VXLAN隧道的建立和VNI的维护使得不同子网中的虚拟机能够透明地进行通信，扩展了数据中心网络的规模和灵活性。VXLAN技术在云计算和虚拟化环境中被广泛应用，为大规模数据中心的网络架构提供了一种高效的解决方案。

1.2.2.2 vxlan为何采用UDP封装，而不是TCP？

VXLAN（虚拟扩展局域网）选择使用UDP（用户数据报协议）进行封装的原因主要有以下几点：

1. 高效的数据转发：由于VXLAN隧道的目的是跨越不同的网络层次，包括不同类型的网络设备，如路由器和交换机，以及可能的NAT（网络地址转换）设备。使用UDP封装允许VXLAN数据包直接穿过这些设备，因为UDP提供了无连接的服务模型，适合于数据包交换的场景。

2. 兼容性：UDP是一种广泛使用的协议，几乎所有的现代操作系统都支持UDP。因此，使用UDP封装意味着VXLAN可以在多种设备和系统中运行，提高了其可移植性和通用性。

3. 简化网络配置：在某些情况下，如数据中心环境中，存在大量冗余链路。使用UDP封装可以减少网络设备在处理VXLAN数据包时的复杂性，因为它不需要像TCP那样执行复杂的拥塞控制机制。此外，UDP封装还减少了网络设备的负载，特别是那些不支持ECMP（边缘计算多层交换）的设备。

4. 支持多种传输模式：UDP封装使得VXLAN能够支持组播传输和多播复制，这在需要同时发送给多个接收者或进行广播通信的情况下非常有用。

综上所述，VXLAN采用UDP封装是因为它能够提供高效的传输效率、广泛的平台兼容性、简化的网络配置需求以及对多种传输模式的良好支持。

1.3 Underlay网络

前面说了，Underlay网络是Overlay网络的底层物理基础，它是由各种物理设备和网络组成的，负责网络之间的数据包传输。具体来说，Underlay网络包括但不限于物理设备如：交换机、路由器、防火墙、负载均衡器和入侵检测系统等，它们通过物理线路连接起来，形成了一个传统的物理网络。这个物理网络可能包括有线和无线介质，如铜线、光纤和无线电波。

1.4 Overlay vs Underlay总结

	Underlay	Overlay
定义	underlay是指物理网络，它是由物理设备通过物理线路连接起来形成一个传统的物理网络	Overlay网络则是构建在这些基础网络之上的虚拟网络。Overlay网络利用了Underlay网络提供的硬件设施和服务，在不改变Underlay网络结构的前提下，通过隧道技术或其他虚拟化技术在上面创建虚拟逻辑网络
特性	物理性、稳定性	灵活性
数据传输	通过物理网络设备例如路由器、交换机进行传输	沿着节点间的虚拟链路进行传输
包封装和开销	发生在网络的二层和三层	需要跨源和目的封装数据包，产生额外的开销
报文控制	面向硬件	面向软件
部署时间	由于依赖硬件，上线新服务涉及大量配置，耗时多	只需更改虚拟网络中的拓扑结构，可快速部署
协议	以太网交换、VLAN、路由协议（OSPF、IS-IS、BGP等）、MACVLAN、IPVLAN	VXLAN、NVGRE、SST、GRE、NVO3、EVPN
扩展性	由于依赖硬件，底层网络一旦搭建好，新增设备较为困难，可扩展性差	扩展性强，例如VLAN最多可支持4096个标识符，而VXLAN则提供多达1600万个标识符
多路径转发	因为可扩展性低，所以需要使用多路径转发，而这会产生更多的开销和网络复杂度	在Overlay网络中，流量从源传输到目的可通过多条路径，从而实现负载分担，最大化利用线路的带宽。
多租户管理	要使用基于NAT或者VRF的隔离，这在大型网络中是个巨大的挑战	支持管理多个租户之间的重叠IP地址

综上所述，Underlay网络存在着以上诸多限制，而Overlay带来了Underlay无法提供的灵活性。