一、VXLAN概述

1. 什么是 VXLAN

VXLAN(Virtual Extensible LAN)虚拟可扩展局域网，是一种 overlay 网络技术，将原始2层以太网帧进行UDP封装  (MAC-in-UDP)，增加8字节 VXLAN头部，8字节 UDP头部， 20字节 IP 头部和14字节以太网头部，共50字节。

2. VXLAN优点

VXLAN与VLAN相比能够提供更好的扩展性和灵活性，主要有以下特点：

  • 应用灵活部署： 通过VXLAN封装后的2层以太网帧可以跨3层网络边界，让组网以及应用部署变得更加灵活，同时解决多租户网络环境中IP地址冲突问题。

  • 更好的扩展性： 传统 VLANID字段为12-bit，VLAN数量最大为4096;VXLAN使用24-bit VNID (VXLAN network  identifier)，最大支持 16,000,000 逻辑网络。

  • 提高网络利用率： 传统以太网使用 STP预防环路， STP导致网络冗余路径处于阻塞状态， VXLAN报文基于 3层 IP报头传输，能有效利用网络路径，支持  ECMP(equal-cost multipath )和链路聚合协议。

(1) 应用灵活部署

VXLAN 三层的网络来搭建虚拟的二层网络_VXLAN

如图 1-1 所示，在 VXLAN环境中应用部署不受物理位置和3层网络边界限制，例如某应用的地址段为  192.168.1.0/24，在传统网络中所有该应用服务器或者虚拟机必须在同一 3层网络内部署，否则会产生路由或者地址冲突问题。

(2) 更好的扩展性

VXLAN 三层的网络来搭建虚拟的二层网络_VXLAN_02

传统网络通过 VLAN将客户网络逻辑隔离， VLAN ID字段为 12-bit ，VLAN数量最大为 4096;VXLAN使用 24-bit VNID (  VXLAN network identifier )，最大支持16,000,000 逻辑网络，扩展性得到极大增强。

(3) 提高网络利用率

VXLAN 三层的网络来搭建虚拟的二层网络_VXLAN_03

图 1-3 使用 VXLAN 后使用三层接口互联消除生成树阻塞端口

传统以太网帧无法穿越三层网络，部署 VXLAN后， VTEP之间数据基于三层寻址，网络互联接口不再是二层接口，   可以将交换机之间互联接口部署为三层模式，消除生成树阻塞端口，提高网络利用率，支持 ECMP(equal-cost multipath )和链路聚合协议。

二、VXLAN术语

1. VTEP

VXLAN

Tunnel Endpoint   (VTEP)。VXLAN使用VTEP设备对VXLAN报文进行封装与解封装，包括ARP请求报文和正常的VXLAN数据报文，VTEP将原始以太网帧通过VXLAN封装后发送至对端  VTEP设备，对端VTEP接收到 VXLAN报文后解封装然后根据原始 MAC进行转发，VTEP可以是物理交换机、物理服务器或者其他支持   VXLAN的硬件设备或软件来实现。

2. VNI

Virtual Network ID ( VNI)， VNI封装在 VXLAN头部，共 24-bit ，最大支持16,000,000 逻辑网络。

3. VXLAN 网关

VXLAN网关用于连接 VXLAN网络和传统 VLAN网络，VXLAN网关实现 VNI和VLAN ID 之间的映射， VXLAN 网关实际上也是一台  VTEP设备。

4. 组播组

VTEP设备要加入相同的组播组，主要用于控制平面地址学习。

三、VXLAN封装

VXLAN使用 UDP封装完整的以太网帧 (MAC-in-UDP)，共 50 字节的封装报文头。具体的报文格式如下：

VXLAN 三层的网络来搭建虚拟的二层网络_VXLAN_04

1. Inner MAC

Inner MAC，内层 MAC是原始以太网帧的 MAC地址。

2. VXLAN Header

共 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。

3. Outer UDP Header

共8个字节，IANA分配的标准目的端口使用 4798，但是各厂商可以根据需要进行修改，同时UDP的校验和必须设置成全 0。

4. Outer IP Header

共20个字节，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地址是目的VTEP的  IP地址;当用于VXLAN控制平面时会使用多播地址。

Outer IP: 外层IP地址是经过VTEP封装后的3层IP地址，源IP是本端VTEP设备IP，用于控制平面时目的 IP  可以是多播地址，用于转发平面时目的 IP是远端 VTEP设备 IP。

5. Outer Ethernet Header

共计14个字节，外层以太网帧头部。Outer MAC，外层 MAC是经过 VTEP封装后的二层 MAC，源 MAC是本端 VTEP设备MAC，目的  MAC可以是远端 VTEP设备MAC或者传输路径中间 3 层网络设备 MAC。

四、VXLAN数据转发

1. 控制平面

在 VXLAN的实现中， 当通过组播实现控制平面路径发现时， VTEP设备之间使用无状态 tunnel ，VTEP设备之间不会维持状态化的长连接。  VXLAN需要通过控制平面学习远端设备地址信息， 在本地构建控制平面表项。 控制平面表项由 VNI、Inner Source MAC 、Outer Source  IP 三元组组成。

2. 转发平面

控制平面学习地址映射信息后， 转发平面负责实际数据的转发。 VTEP为原始数据帧增加 UDP报头，新的报头到达目的  VTEP后才会被去掉，中间路径的网络设备只会根据外层包头内的目的地址进行数据转发。

3. VXLAN ARP请求

VXLAN 三层的网络来搭建虚拟的二层网络_VXLAN_05

如上图所示，终端设备 A需要和终端设备 B通信， ARP请求过程如下：

  • 终端设备 A 发送 ARP请求，请求终端设备 B 的 MAC地址;

  • VTEP-1收到终端设备 A发送的 ARP请求，此时 VTEP-1还没有终端设备 B对应的地址映射表项， VTEP-1将 ARP请求进行  VXLAN封装， VNI 设置为10，outer-src-ip 是 VTEP-1的 IP ，outer-dst-ip 是加入的组播组地址，封装完成后转发至  VXLAN组播组;

  • VTEP-2、VTEP3加入相同的组播组，所有组成员都会收到 VTEP-1发送的组播报文，解封装后检查 VNI 与本地 VNI 是否匹配，如匹配将  ARP请求发送至本地网络，同时记录 VNI、inner MAC、outer IP 的对应关系，构建控制平面地址映射表项。如 VNI 不匹配则丢弃数据包。

  • 终端设备 B 收到 ARP请求后以单播方式发送 ARP响应;

  • VTEP-2收到终端设备 B 的 ARP响应后进行 VXLAN封装，此时 VTEP-2已经构建控制平面地址映射表项，通过   VXLAN封装后以单播方式发送。Outer-src-ip 是 VTEP-2的 IP 地址，outer-dst-ip 是 VTEP-1的 IP 地址;

  • VTEP-1收到封装后的 ARP响应后，解封装比对 VNI，如匹配将 ARP响应发送至终端设备 A，同时记录 VNI、inner MAC、 outer  IP 的对应关系，构建控制平面表项;

  • 此时 VTEP-1、VTEP-2均已成功构建控制平面地址映射信息，后续 VXLAN数据使用单播在 VTEP-1和 VTEP-2之间传输。

4. VXLAN 数据传输

  • ARP请求完成后，终端设备 A 向终端设备 B 发送数据， VTEP-1收到数据中查找地址映射表项，将原始数据进行 VXLAN封装后转发至  VTEP-2;

  • VTEP-2收到 VXLAN数据包后检查 VNI 是否与本地 VNI 匹配， 如匹配则解封装后将原始以太网帧转发至终端设备 B。

五、VXLAN部署

六、补充：

  • 在进行 ARP处理时，为了将广播通过多播进行传输，必须要设置VNI 到多播组的映射，这种映射属于管理层，用于建立VTEP之间的管理通道。未知的目的  MAC(unknown MAC destination )同样会进行组播封装，处理方式和广播相同。

  • VXLAN报文不能进行分片处理，中间的设备可能会将 VXLAN报文分片，但是VTEP会将分片后的报文丢弃，为了确保  VXLAN报文不被分片处理，需要修改沿途所以设备的 MTU。RFC文档没有阐述为什么 VTEP必须丢弃分片后的报文。

  • 在封装和解封装时 VLAN TAG信息都会被剥离，除非另有特殊配置。