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VXLAN (Virtual Extensible LAN) 虚拟可扩展局域网

VXLAN 是一种网络虚拟化技术，它的全称是 “Virtual Extensible LAN”，即“虚拟可扩展局域网”。你可以把它理解成一种网络隧道技术，它旨在解决传统数据中心网络中存在的一些问题，特别是 VLAN（虚拟局域网）的限制。

简单来说，VXLAN 就是在现有的三层网络（IP 网络）之上，创建出一个虚拟的、隔离的二层网络（以太网）。它将二层以太网帧“打包”在三层 UDP 数据包中进行传输。

为什么需要 VXLAN？VLAN 有什么问题？

要理解 VXLAN 的价值，首先要了解它解决了什么问题。在它出现之前，数据中心主要使用 VLAN 来隔离不同的租户或应用。但随着云计算和虚拟化技术的发展，VLAN 暴露了几个主要缺点：

  1. 数量限制：VLAN ID 只有 12 位，理论上最多只能创建 4096 个 VLAN（实际可用约 4094 个）。对于需要成千上万个独立网络的大型云服务提供商来说，这个数量远远不够。
  2. 扩展性差：VLAN 是一个二层技术，它依赖于 STP（生成树协议）来防止网络环路。这导致网络的可扩展性受限，无法构建超大规模的二层网络。
  3. 灵活性不足：VLAN 的配置和管理与物理网络设备（交换机）紧密耦合。虚拟机的迁移如果跨越了不同的三层网络边界，会导致网络配置非常复杂，甚至中断业务。

VXLAN 如何解决这些问题？

VXLAN 通过其独特的设计巧妙地规避了 VLAN 的这些限制：

  1. 海量的网络标识符：VXLAN 使用一个 24 位的标识符，称为 VNI (VXLAN Network Identifier)。这意味着理论上可以创建多达 224 个（约 1677 万个）独立的虚拟网络，完全满足了大规模多租户环境的需求。
  2. 利用现有 IP 网络：VXLAN 运行在现有的三层 IP 网络之上。它将原始的二层数据帧封装到 UDP 数据包中，然后通过标准的 IP 路由在网络中传输。这意味着你不需要对底层物理网络做大规模的改动，只要保证 IP 可达即可。这极大地提高了网络的可扩展性和灵活性。
  3. 虚拟机迁移更自由：由于 VXLAN 构建了一个跨越物理三层网络的“大二层”虚拟网络，虚拟机可以在数据中心的不同物理位置之间自由迁移，而无需更改其 IP 地址和网络配置，因为它们始终处于同一个虚拟的二层网络中。

VXLAN 的工作原理：封装与解封装

VXLAN 的核心在于封装 (Encapsulation) 和 解封装 (Decapsulation)。这个过程由网络中的特定设备或软件来完成，这个角色被称为 VTEP (VXLAN Tunnel End Point)。VTEP 通常位于虚拟化宿主机（Hypervisor）、物理交换机或路由器上。
工作流程如下：

  1. 封装：
    • 虚拟机 A（属于 VNI 100）向虚拟机 B（也属于 VNI 100）发送数据。
    • 数据到达其所在的物理服务器的 VTEP 1。
    • VTEP 1 看到这是一个需要通过 VXLAN 传输的数据，于是进行“打包”：
      • 在原始的二层以太网帧前，加上一个 VXLAN 头部（包含 24 位的 VNI 100）。
      • 再为这个新的数据包加上标准的 UDP 头部和 IP 头部。IP 头部的源地址是 VTEP 1 的 IP，目标地址是虚拟机 B 所在服务器的 VTEP 2 的 IP。
      • 最后加上外部的以太网头部，通过物理网络发送出去。
  2. 传输：
    • 这个被“打包”好的 UDP 数据包，在物理网络中就像一个普通的 IP 包一样被路由和转发，直到它到达 VTEP 2。
  3. 解封装：
    • VTEP 2 收到这个 UDP 数据包。
    • 它会“拆开”这个包，去掉外部的以太网头、IP 头和 UDP 头。
    • 然后检查 VXLAN 头部，确认 VNI 是 100。
    • 最后，将最里面的、原始的二层以太网帧取出，并将其转发给目标虚拟机 B。
      对于虚拟机 A 和 B 来说，它们完全感觉不到这个封装和解封装过程的存在，它们会认为自己是直接通过一个普通的以太网交换机连接在一起的。

VXLAN 的关键组件

总结

VXLAN 是一种功能强大的网络虚拟化技术，它通过在三层 IP 网络之上构建虚拟的二层隧道，克服了传统 VLAN 技术的诸多限制。它为现代数据中心，特别是云计算和大规模虚拟化环境，提供了一种更具扩展性、灵活性和隔离性的网络解决方案。