云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)為什么需要VxLAN

河南移動(dòng)南陽分公司網(wǎng)絡(luò)部 | 丁雪玲

中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院 | 華一強(qiáng)

中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院 | 張沛

云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)為什么需要VxLAN

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云計(jì)算和虛擬化具有虛機(jī)數(shù)量大和網(wǎng)絡(luò)大二層的特性，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)技術(shù)難以支持這些特性。

作為云計(jì)算的核心技術(shù)之一，服務(wù)器虛擬化憑借其大幅降低IT成本、提高業(yè)務(wù)部署靈活性、降低運(yùn)維成本等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)得到越來越多的認(rèn)可和部署。在以往的數(shù)據(jù)中心中，計(jì)算資源就是服務(wù)器，其通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，通過二層VLAN技術(shù)劃分虛擬網(wǎng)絡(luò)。不過在經(jīng)過虛擬化改造后，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的計(jì)算資源變成了虛擬機(jī)（VM），整個(gè)云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)變成了大二層網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心無法駕馭云計(jì)算

云計(jì)算和虛擬化具有虛機(jī)數(shù)量大和網(wǎng)絡(luò)大二層的特性，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)技術(shù)難以支持這些特性。

虛機(jī)數(shù)量大：一臺(tái)服務(wù)器可虛擬出多臺(tái)虛擬機(jī)，而一臺(tái)虛擬機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)主機(jī)。在虛擬化后，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部虛擬機(jī)的數(shù)量與原有服務(wù)器相比已經(jīng)發(fā)生了數(shù)量級(jí)的變化。

網(wǎng)絡(luò)大二層：在虛擬機(jī)啟動(dòng)后，由于服務(wù)器資源問題（如CPU過高、內(nèi)存不夠等）抑或是綠色節(jié)能等方面的需求，虛擬機(jī)需要遷移到新的服務(wù)器上。為了實(shí)現(xiàn)在虛擬機(jī)遷移過程中的業(yè)務(wù)不中斷，需要保證虛擬機(jī)的IP地址、MAC地址等參數(shù)保持不變，這就要求虛擬機(jī)的遷移在同一個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)大范圍甚至跨地域的動(dòng)態(tài)遷移，技術(shù)人員需要把虛擬機(jī)遷移可能涉及的所有服務(wù)器都納入同一個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)域中，形成一個(gè)大二層網(wǎng)絡(luò)——這個(gè)大二層網(wǎng)絡(luò)可能在同一個(gè)數(shù)據(jù)中心，也可能跨數(shù)據(jù)中心。

VxLAN技術(shù)能夠很好地支持這些特性，并且與其他大二層技術(shù)相比，天然支持跨數(shù)據(jù)中心的虛機(jī)遷移。

云計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)中心帶來挑戰(zhàn)

上述云計(jì)算和虛擬化對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，會(huì)在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（交換機(jī)+VLAN）產(chǎn)生如下問題。

● 虛擬機(jī)數(shù)量受交換機(jī)MAC地址容量限制。隨著VM數(shù)量的增多，與之對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)虛擬網(wǎng)卡的MAC地址數(shù)量也相應(yīng)增加，而交換機(jī)MAC地址表的容量是有限的。當(dāng)虛擬機(jī)數(shù)量很多時(shí)，交換機(jī)的MAC地址表就會(huì)溢出，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀丟棄或者產(chǎn)生大量的廣播幀，嚴(yán)重影響到網(wǎng)絡(luò)性能。因此，交換機(jī)MAC地址容量限制了虛擬機(jī)的數(shù)量。

● 網(wǎng)絡(luò)隔離能力受VLAN數(shù)限制。大規(guī)模數(shù)據(jù)中心及公有云場(chǎng)景下會(huì)產(chǎn)生大量的租戶，不同租戶使用的虛擬機(jī)之間需要隔離。因?yàn)閂LAN的ID位數(shù)為12比特，最多只能支持4094個(gè)VLAN，原有采用VLAN劃分?jǐn)?shù)據(jù)中心的虛擬網(wǎng)絡(luò)不能滿足云計(jì)算環(huán)境下大量虛機(jī)和租戶的需求。

● 虛擬機(jī)遷移范圍受網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)限制。虛擬機(jī)遷移需要大二層網(wǎng)絡(luò)，而VLAN的核心思想之一就是通過VLAN劃分來縮小二層域的范圍和規(guī)模，以控制二層廣播風(fēng)暴的規(guī)模。因此VLAN技術(shù)天然地不能很好支持大二層網(wǎng)絡(luò)。如使用VLAN技術(shù)，虛擬機(jī)只能在小范圍內(nèi)遷移。

VxLAN破解三大難題

VxLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虛擬擴(kuò)展局域網(wǎng)）技術(shù)很好地解決了現(xiàn)有VLAN技術(shù)無法滿足大二層網(wǎng)絡(luò)需求的問題。VxLAN技術(shù)是一種大二層的虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要原理是引入一個(gè)UDP格式的外層隧道作為數(shù)據(jù)鏈路層，而原有數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)容作為隧道凈荷加以傳輸。由于外層采用了UDP作為傳輸手段，凈荷數(shù)據(jù)可以輕松地在二三層網(wǎng)絡(luò)中傳送。目前VxLAN已成為業(yè)界主流的虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，IETF正在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。VxLAN技術(shù)的特點(diǎn)在于如下幾個(gè)方面。

● 減輕了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MAC地址學(xué)習(xí)量。除VxLAN網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備不需要識(shí)別虛擬機(jī)的MAC地址，減輕了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備尤其是數(shù)據(jù)中心交換機(jī)的MAC地址學(xué)習(xí)壓力，提升了設(shè)備性能。

● 擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)隔離的數(shù)量。VxLAN長(zhǎng)達(dá)24比特的標(biāo)識(shí)可以支持多達(dá)16M的VxLAN段網(wǎng)絡(luò)隔離，對(duì)用戶進(jìn)行隔離和標(biāo)識(shí)不再受到限制，可滿足海量租戶的使用需求。

● 支持虛擬機(jī)大二層遷移。通過采用MAC in UDP封裝，實(shí)現(xiàn)了物理網(wǎng)絡(luò)和虛擬網(wǎng)絡(luò)的解耦，租戶可以規(guī)劃自己的虛擬網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)大二層范圍內(nèi)的遷移，不需要考慮物理網(wǎng)絡(luò)IP地址和廣播域的限制，大大降低了網(wǎng)絡(luò)管理的難度。

VxLAN應(yīng)用案例

VxLAN可以跨數(shù)據(jù)中心構(gòu)建大二層環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)中心的云計(jì)算資源整合。

以電信運(yùn)營(yíng)商的邊緣云組網(wǎng)為例。在國內(nèi)，隨著“光進(jìn)銅退”改造的快速推進(jìn)，各省市運(yùn)營(yíng)商均騰退出大量的PSTN機(jī)房，這些機(jī)房亟需考慮再利用，以充分盤活沉淀資產(chǎn)。PSTN機(jī)房一般靠近用戶，分布在城鄉(xiāng)各處，地段有好有壞。地段好的部分機(jī)房，可以改造后進(jìn)行商業(yè)出租。而大量地區(qū)偏遠(yuǎn)或不臨街的機(jī)房，以及無窗戶、改造后無出租價(jià)值的機(jī)房，尚具備雙路市電且按照通信機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。對(duì)于這些機(jī)房，可以考慮改造成邊緣DC，從而盤活邊緣端局沉淀資產(chǎn)。

這些邊緣DC普遍規(guī)模不大，可以部署云計(jì)算和虛擬化技術(shù)，建立統(tǒng)一的物理資源池和云資源池，統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)和管理，并利用其靠近用戶的特點(diǎn)，靈活地感知業(yè)務(wù)、感知用戶、駐留大顆粒大流量業(yè)務(wù)，形成運(yùn)營(yíng)商的邊緣云。

邊緣DC組成的云需要一個(gè)跨DC的大二層網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是DC數(shù)量多，虛擬機(jī)跨DC遷移頻繁。在現(xiàn)有的大二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，VxLAN天然支持跨DC的虛擬機(jī)遷移，以其構(gòu)建跨DC的大二層網(wǎng)絡(luò)，無需引入其他L2 over L3技術(shù)，因此VxLAN是組建跨運(yùn)營(yíng)商邊緣DC大二層網(wǎng)絡(luò)的比較有競(jìng)爭(zhēng)力的一種技術(shù)。