云計算環(huán)境的一個典型屬性是多租戶共享物理資源。其中每個租戶可以構(gòu)建自己專屬的虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)，而每個邏輯網(wǎng)絡(luò)都需要由唯一的標(biāo)識符來標(biāo)識。不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)情況下相互隔離。傳統(tǒng)上，網(wǎng)絡(luò)工程師一般使用VLAN來隔離不同二層網(wǎng)絡(luò)，但VLAN的標(biāo)識符命名空間只有12位，只能提供4096個標(biāo)識符，這無法滿足大型云計算環(huán)境的需求。

另外，使用VLAN隔離虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)，往往需要對底層物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行手動配置，這無法滿足云計算環(huán)境的自動化需求。為了解決VLAN在網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境中應(yīng)用存在的種種問題，Cisco，VMware等廠商提出了新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議VXLAN來隔離虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)。

VxLAN基本原理

VXLAN的全稱為Virtual eXtensible LAN，從名稱看，它的目標(biāo)就是擴(kuò)展VLAN協(xié)議。802.1Q的VLAN TAG只占12位，只能提供4096個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符。而在VXLAN中，標(biāo)識符擴(kuò)展到24位，能提供16777216個邏輯網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，VXLAN的標(biāo)識符稱為VNI(VXLAN Network Identifier)。另外，VLAN只能應(yīng)用在一個二層網(wǎng)絡(luò)中，而VXLAN通過將原始二層以太網(wǎng)幀封裝在IP協(xié)議包中，在IP基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之上構(gòu)建overlay的邏輯大二層網(wǎng)絡(luò)。

我們來看具體協(xié)議包結(jié)構(gòu)。VXLAN將二層數(shù)據(jù)幀封裝在UDP數(shù)據(jù)包中，構(gòu)建隧道在不同節(jié)點間通信。包結(jié)構(gòu)如圖:

從包結(jié)構(gòu)上可以看到，VXLAN會額外消耗50字節(jié)的空間。為了防止因數(shù)據(jù)包大小超過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MTU值而被丟棄，需要將VM的MTU減少50甚至更多，或者調(diào)整中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MTU。

VXLAN協(xié)議中將對原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝和解封裝的設(shè)備稱為VTEP(VXLAN Tunnel End Point)，它可以由硬件設(shè)備實現(xiàn)，也可以由軟件實現(xiàn)。

VXLAN的整體應(yīng)用示意拓樸結(jié)構(gòu)如圖:

我們來看VXLAN的通信過程。在上圖的虛擬機(jī)VM1和VM2處于邏輯二層網(wǎng)絡(luò)中。VM1發(fā)出的二層以太網(wǎng)幀由VTEP封裝進(jìn)IP數(shù)據(jù)包，之后發(fā)送到VM2所在主機(jī)。VM2所在主機(jī)接收到IP報文后，解封裝出原始的以太網(wǎng)幀再轉(zhuǎn)發(fā)給VM2。

然而，VM1所在主機(jī)的VTEP做完數(shù)據(jù)封裝后，如何知道要將封裝后的數(shù)據(jù)包發(fā)到哪個VTEP呢？實際上，VTEP通過查詢轉(zhuǎn)發(fā)表來確定目標(biāo)VTEP地址，而轉(zhuǎn)發(fā)表通過泛洪和學(xué)習(xí)機(jī)制來構(gòu)建。目標(biāo)MAC地址在轉(zhuǎn)發(fā)表中不存在的流量稱為未知單播(Unknown unicast)。廣播(broadcast)、未知單播(unknown unicast)和組播(multicast)一般統(tǒng)稱為BUM流量。VXLAN規(guī)范要求BUM流量使用IP組播進(jìn)行洪泛，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到除源VTEP外的所有VTEP。目標(biāo)VTEP發(fā)送回響應(yīng)數(shù)據(jù)包時，源VTEP從中學(xué)習(xí)MAC地址、VNI和VTEP的映射關(guān)系，并添加到轉(zhuǎn)發(fā)表中。后續(xù)VTEP再次發(fā)送數(shù)據(jù)包給該MAC地址時，VTEP會從轉(zhuǎn)發(fā)表中直接確定目標(biāo)VTEP，從而只發(fā)送單播數(shù)據(jù)到目標(biāo)VTEP。

OpenvSwitch沒有實現(xiàn)IP組播，而是使用多個單播來實現(xiàn)洪泛。洪泛流量本身對性能有一定影響，可以通過由controller收集相應(yīng)信息來填充轉(zhuǎn)發(fā)表而避免洪泛。

Linux環(huán)境中常用的VXLAN實現(xiàn)有兩種:

Linux內(nèi)核實現(xiàn)

OpenvSwitch實現(xiàn)接下來分別以實例來說明。

Linux 的實現(xiàn)

首先看Linux內(nèi)核實現(xiàn)實例。我們的測試環(huán)境有三臺主機(jī)，物理網(wǎng)卡IP分別為192.168.33.12/24, 192.168.33.13/24和192.168.33.14/24。我們在每臺機(jī)器上創(chuàng)建一個Linux Bridge, 三臺主機(jī)上的Linux Bridge默認(rèn)接口的IP分別設(shè)置為10.1.1.2/24, 10.1.1.3/24和10.1.1.4/24。此時三臺主機(jī)的Linux網(wǎng)橋處于同一虛擬二層網(wǎng)絡(luò)，但由于沒有相互連接，所以無法互相訪問。我們通過建立VXLAN隧道使其可互相訪問實現(xiàn)虛擬二層網(wǎng)絡(luò)10.1.1.0/24。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖:

首先在主機(jī)1上創(chuàng)建Linux網(wǎng)橋:

brctl?addbr?br0

給網(wǎng)橋接口設(shè)置IP并啟動:

ip?addr?add?10.1.1.2/24?dev?br0
ip?link?set?up?br0

我們從主機(jī)1訪問主機(jī)2上的虛擬二層網(wǎng)絡(luò)IP, 訪問失敗:

[root@localhost?vagrant]#?ping?10.1.1.3
PING?10.1.1.3?(10.1.1.3):?56?data?bytes
^C
---?10.1.1.3?ping?statistics?---
1?packets?transmitted,?0?packets?received,?100.0%?packet?loss

接下來，我們添加VTEP虛擬接口vxlan0, 并加入組播IP:239.1.1.1, 后續(xù)發(fā)送到該組播IP的數(shù)據(jù)包，該VTEP都可以接收到:

ip?link?add?vxlan0?type?vxlan?id?1?group?239.1.1.1?dev?eth1?dstport?4789

將虛擬接口vxlan0連接到網(wǎng)橋:

brctl?addif?br0?vxlan0

在另外兩臺主機(jī)上也完成相似配置后，我們開始測試。

首先在主機(jī)1查看VTEP的轉(zhuǎn)發(fā)表，可以看到此時只有一條組播條目，所有發(fā)出流量都將發(fā)送給該組播IP:

[root@localhost?vagrant]#?bridge?fdb?show?dev?vxlan0
000000:00?dst?239.1.1.1?via?eth1?self?permanent

我們再次從主機(jī)1上訪問主機(jī)2上的網(wǎng)橋IP, 此時訪問成功:

[root@localhost?vagrant]#?ping?10.1.1.3
PING?10.1.1.3?(10.1.1.3)?56(84)?bytes?of?data.
64?bytes?from?10.1.1.3:?icmp_seq=1?ttl=64?time=1.58?ms
64?bytes?from?10.1.1.3:?icmp_seq=2?ttl=64?time=0.610?ms
^C
---?10.1.1.3?ping?statistics?---
2?packets?transmitted,?2?received,?0%?packet?loss,?time?1001ms
rtt?min/avg/max/mdev?=?0.610/1.096/1.582/0.486?ms

此時再次在主機(jī)1上查看VTEP轉(zhuǎn)發(fā)表，可以看到轉(zhuǎn)發(fā)表中已經(jīng)學(xué)習(xí)到10.1.1.3所在主機(jī)的VTEP地址:192.168.33.13，下次再發(fā)送數(shù)據(jù)給10.1.13所對應(yīng)的MAC該直接發(fā)送到192.168.33.13:

[root@localhost?vagrant]#?bridge?fdb?show?dev?vxlan0
000000:00?dst?239.1.1.1?via?eth1?self?permanent
2ea27b:31?dst?192.168.33.13?self

我們根據(jù)主機(jī)2上tcpdump的抓包結(jié)果來分析具體過程:

1454.330846?IP?192.168.33.12.38538?>?239.1.1.1.4789:?VXLAN,?flags?[I]?(0x08),?vni?1
ARP,?Request?who-has?10.1.1.3?tell?10.1.1.2,?length?28

10.1.1.2所在主機(jī)不知道10.1.1.3對應(yīng)的MAC地址，因而發(fā)送ARP廣播，ARP數(shù)據(jù)包發(fā)送至VTEP，VTEP進(jìn)行封裝并洪泛給組播IP:239.1.1.1。

1454.330975?IP?192.168.33.13.58823?>?192.168.33.12.4789:?VXLAN,?flags?[I]?(0x08),?vni?1
ARP,?Reply?10.1.1.3?is-at?2ea27b:31,?length?28

主機(jī)2收到數(shù)據(jù)包之后解封裝，VTEP會學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)包的MAC及VTEP地址，將其添加到轉(zhuǎn)發(fā)表，并將解封后的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到網(wǎng)橋接口10.1.1.3。10.1.1.3的接口發(fā)送ARP響應(yīng)。

1454.332055?IP?192.168.33.12.48980?>?192.168.33.13.4789:?VXLAN,?flags?[I]?(0x08),?vni?1
IP?10.1.1.2?>?10.1.1.3:?ICMP?echo?request,?id?4478,?seq?1,?length?64

主機(jī)1之后開始發(fā)送ICMP數(shù)據(jù)包，從這里可以看出外層IP地址不再為組播IP，而是學(xué)習(xí)到的192.168.33.13。

1454.332225?IP?192.168.33.13.55921?>?192.168.33.12.4789:?VXLAN,?flags?[I]?(0x08),?vni?1
IP?10.1.1.3?>?10.1.1.2:?ICMP?echo?reply,?id?4478,?seq?1,?length?64

接著，10.1.1.3發(fā)送回ICMP響應(yīng)包。

OvS 的實現(xiàn)

下面再來說明OpenvSwitch實現(xiàn)實例。

OVS不支持組播，需要為任意兩個主機(jī)之間建立VXLAN單播隧道。與上邊示例的拓樸結(jié)構(gòu)相比，我們使用了兩個OVS網(wǎng)橋，將虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)的接口接入網(wǎng)橋br-int，將所有VXLAN接口接入br-tun。兩個網(wǎng)橋使用PATCH類型接口進(jìn)行連接。由于網(wǎng)橋br-tun上有多個VTEP，當(dāng)BUM數(shù)據(jù)包從其中某個VTEP流入時，數(shù)據(jù)包會從其他VTEP接口再流出，這會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包在主機(jī)之間無限循環(huán)。因而我們需要添加流表使VTEP流入的數(shù)據(jù)包不再轉(zhuǎn)發(fā)至其他VTEP。若邏輯網(wǎng)絡(luò)接口與VTEP連接同一網(wǎng)橋，配置流表將比較繁瑣。單獨將邏輯網(wǎng)絡(luò)接口放到獨立的網(wǎng)橋上，可以使流表配置非常簡單，只需要設(shè)置VTEP流入的數(shù)據(jù)包從PATCH接口流出。

拓樸結(jié)構(gòu)如圖:

首先在主機(jī)1上創(chuàng)建網(wǎng)橋br-int和br-tun:

ovs-vsctl?add-br?br-int
ovs-vsctl?add-br?br-tun

創(chuàng)建PATCH接口連接br-int和br-tun:

ovs-vsctl?add-port?br-int?patch-int?--?set?interface?patch-int?type=patch?options:peer=patch-tun
ovs-vsctl?add-port?br-tun?patch-tun?--?set?interface?patch-tun?type=patch?options:peer=patch-int

創(chuàng)建單播VTEP連接主機(jī)2:

ovs-vsctl?add-port?br-tun?vxlan0?--?set?interface?vxlan0?type=vxlan?options:remote_ip=192.168.33.13

創(chuàng)建單播VTEP連接主機(jī)3:

ovs-vsctl?add-port?br-tun?vxlan1?--?set?interface?vxlan1?type=vxlan?options:remote_ip=192.168.33.14

接下來，我們給br-tun添加流表來處理流量。

首先查看br-tun上各接口的PORT ID，從結(jié)果看到Patch Port為1，VTEP分別為5和6:

[root@localhost?vagrant]#?ovs-ofctl?show?br-tun
OFPT_FEATURES_REPLY?(xid=0x2):?dpid:00006e12f4fd6949
n_tables:254,?n_buffers:256
capabilities:?FLOW_STATS?TABLE_STATS?PORT_STATS?QUEUE_STATS?ARP_MATCH_IP
actions:?output?enqueue?set_vlan_vid?set_vlan_pcp?strip_vlan?mod_dl_src?mod_dl_dst?mod_nw_src?mod_nw_dst?mod_nw_tos?mod_tp_src?mod_tp_dst
1(patch-tun):?addrfafbbf
?????config:?????0
?????state:??????0
?????speed:?0?Mbps?now,?0?Mbps?max
5(vxlan0):?addr6585ea
?????config:?????0
?????state:??????0
?????speed:?0?Mbps?now,?0?Mbps?max
6(vxlan1):?addr38fa98
?????config:?????0
?????state:??????0
?????speed:?0?Mbps?now,?0?Mbps?max
LOCAL(br-tun):?addr12fd49
?????config:?????PORT_DOWN
?????state:??????LINK_DOWN
?????speed:?0?Mbps?now,?0?Mbps?max
OFPT_GET_CONFIG_REPLY?(xid=0x4):?frags=normal?miss_send_len=0

清空br-tun流表:

ovs-ofctl?del-flows?br-tun

數(shù)據(jù)包進(jìn)入br-tun后開始匹配table 0的流。我們使用table 0區(qū)分流量來源。來源于br-int的數(shù)據(jù)包由table 1處理，VTEP流入的數(shù)據(jù)交由table 2處理, 并丟棄其他PORT進(jìn)入的數(shù)據(jù)包:

ovs-ofctl?add-flow?br-tun?"table=0,priority=1,in_port=1?actions=resubmit(,1)”
ovs-ofctl?add-flow?br-tun?"table=0,priority=1,in_port=5?actions=resubmit(,2)"?
ovs-ofctl?add-flow?br-tun?"table=0,priority=1,in_port=6?actions=resubmit(,2)”
ovs-ofctl?add-flow?br-tun?"table=0,priority=0,actions=drop”

接著添加table 1的流, table 1用于處理來自br-int的流量，單播數(shù)據(jù)包交由table 20處理，多播或廣播數(shù)據(jù)包交由table 21處理:

ovs-ofctl?add-flow?br-tun?"table=1,priority=0,dl_dst=000000:00/010000:00,actions=resubmit(,20)”
ovs-ofctl?add-flow?br-tun?"table=1,priority=0,dl_dst=010000:00/010000:00,actions=resubmit(,21)”

table 21處理廣播流量，將數(shù)據(jù)包從所有VTEP的PORT口發(fā)出:

ovs-ofctl?add-flow?br-tun?"table=21,priority=0,actions=output:5,output:6”

table 2處理VTEP流入的數(shù)據(jù)包，在這里我們實現(xiàn)學(xué)習(xí)機(jī)制。來自VTEP的數(shù)據(jù)包到達(dá)后，table 2從中學(xué)習(xí)MAC地址，VNI、PORT信息，并將學(xué)習(xí)到的流寫入table 20中，并將流量由PATCH口發(fā)送到br-int上, 并將學(xué)習(xí)到的流優(yōu)先級設(shè)為1:

ovs-ofctl?add-flow?br-tun?"table=2,priority=0,actions=learn(table=20,hard_timeout=300,priority=1,NXM_OF_ETH_DST[]=NXM_OF_ETH_SRC[],load:NXM_NX_TUN_ID[]->NXM_NX_TUN_ID[],output:NXM_OF_IN_PORT[]),?output:1”

table 20處理單播流量，我們將默認(rèn)流優(yōu)先級設(shè)置為0。因為學(xué)習(xí)到的流優(yōu)先級設(shè)置為1，因而只有匹配不到目標(biāo)MAC的未知單播交由table 21處理，table 21將流量廣播到所有VTEP:

ovs-ofctl?add-flow?br-tun?"table=20,priority=0,actions=resubmit(,21)"

整體處理邏輯如圖:

我們查看流表, 發(fā)現(xiàn)table 20中只有一條默認(rèn)添加的流:

[root@localhost?vagrant]#?ovs-ofctl?dump-flows?br-tun?table=20
NXST_FLOW?reply?(xid=0x4):
cookie=0x0,?duration=1.832s,?table=20,?n_packets=0,?n_bytes=0,?idle_age=1,?priority=0?actions=resubmit(,21)

我們從主機(jī)1訪問主機(jī)3上的虛擬網(wǎng)絡(luò)IP，訪問成功:

[root@localhost?vagrant]#?ping?10.1.1.4?-c?2
PING?10.1.1.4?(10.1.1.4)?56(84)?bytes?of?data.
64?bytes?from?10.1.1.4:?icmp_seq=1?ttl=64?time=1.45?ms
64?bytes?from?10.1.1.4:?icmp_seq=2?ttl=64?time=0.538?ms

---?10.1.1.4?ping?statistics?---
2?packets?transmitted,?2?received,?0%?packet?loss,?time?1002ms
rtt?min/avg/max/mdev?=?0.538/0.994/1.451/0.457?ms

我們再次查看流表, 發(fā)現(xiàn)table 20中已經(jīng)多了一條學(xué)習(xí)到的流，下次再向該MAC發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)將直接從PORT 6中發(fā)出:

[root@localhost?vagrant]#?ovs-ofctl?dump-flows?br-tun?table=20
NXST_FLOW?reply?(xid=0x4):
cookie=0x0,?duration=164.902s,?table=20,?n_packets=36,?n_bytes=3360,?hard_timeout=300,?idle_age=19,?hard_age=19,?priority=1,dl_dst=ee090e:46?actions=load:0->NXM_NX_TUN_ID[],output:6
cookie=0x0,?duration=223.811s,?table=20,?n_packets=1,?n_bytes=98,?idle_age=164,?priority=0?actions=resubmit(,21)

本文簡要介紹了VXLAN的原理和實例。

編輯：黃飛