VxLAN技術在SD-WAN組網(wǎng)業(yè)務中的應用研究

余照熠，林志華，陳智海

（中國電信股份有限公司上海分公司，上海，200085）

0 引言

隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型逐步深入，云計算、網(wǎng)絡虛擬化等技術不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)IT架構(gòu)越來越難以滿足企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求，企業(yè)IT系統(tǒng)云化部署的數(shù)量在大幅增長，為確保重要系統(tǒng)的安全性，通常都會使用異地多云異構(gòu)部署的方案，而運營商MPLS-VPN、MSTP等傳統(tǒng)廣域網(wǎng)連接技術已難以滿足現(xiàn)今快速靈活組網(wǎng)的業(yè)務需求。同時，業(yè)務上云后，為保證云間遷移的業(yè)務連續(xù)性，必須維持遷移前后，業(yè)務IP地址、MAC地址等參數(shù)維持不變，所以在三層組網(wǎng)模式下，是難以實現(xiàn)在多個數(shù)據(jù)中心間進行業(yè)務遷移的。同時，數(shù)據(jù)中心對互聯(lián)網(wǎng)的接入質(zhì)量要求也越來越高，所以我們考慮使用SD-WAN結(jié)合VxLAN技術來實現(xiàn)云間靈活組網(wǎng)，通過VxLAN作為overlay作為隧道構(gòu)建云間大二層網(wǎng)絡，實現(xiàn)用戶的云上業(yè)務跨機房動態(tài)遷移需求。

1 SD-WAN技術簡述

SD-WAN，Software Defined Wide Area Network[1]，即軟件定義廣域網(wǎng),是將SDN技術應用到廣域網(wǎng)互聯(lián)場景中所形成的一種服務。SD-WAN采用的是一種overlay組網(wǎng)方式，具備跨越中間運營商underlay網(wǎng)絡的物理設備，實現(xiàn)業(yè)務在overlay層面的靈活部署，具備快速開通和調(diào)整及多種復雜組網(wǎng)需求，整合了overlay專線與underlay專線的能力，利用隧道技術構(gòu)建了一個虛擬的網(wǎng)絡，傳統(tǒng)網(wǎng)絡不需要再做任何適配，就能夠為客戶構(gòu)建各種不同拓撲結(jié)構(gòu)的虛擬專網(wǎng)。

Underlay、overlay都是網(wǎng)絡虛擬化的概念。underlay就是傳統(tǒng)的底層承載網(wǎng)，可以是普通的internet，或是4G LTE網(wǎng)絡、MPLS VPN等承載網(wǎng)絡。overlay就是基于底層網(wǎng)絡互聯(lián)互通的基礎加上隧道技術去構(gòu)建一個虛擬的網(wǎng)絡，如傳統(tǒng)的承載在互聯(lián)網(wǎng)上的IPSec隧道。傳統(tǒng)網(wǎng)絡不需要再做任何適配，就能夠構(gòu)建各種拓撲結(jié)構(gòu)的用戶虛擬專網(wǎng)。

SD-WAN技術架構(gòu)，包含了集中管控平臺，接入網(wǎng)元、云端網(wǎng)元三個部分：（1）SD-WAN管控平臺：SD-WAN管控平臺主要承擔SD-WAN網(wǎng)絡的管理和控制功能；（2）接入網(wǎng)元：接入網(wǎng)元一般部署在用戶側(cè)，實現(xiàn)用戶網(wǎng)絡的接入。主要功能應包括：LAN組網(wǎng)接入功能，局域網(wǎng)DHCP server功能，WAN口連接，WAN口隧道功能；（3）云端網(wǎng)元：云端網(wǎng)元一般部署在云資源池內(nèi)，實現(xiàn)SD-WAN用戶云資源的接入功能，或者承擔政企用戶組網(wǎng)型業(yè)務的接入?yún)R聚功能。三個部分都分別封裝，彼此通過控制面隧道來交互消息，是一種松耦合的關系。

圖1 SD-WAN技術架構(gòu)

SD-WAN可以使用多種隧道加密封裝形式，包括IPSec、SSL等，目的都是實現(xiàn)利用安全的隧道加密技術對數(shù)據(jù)包進行加密，保證在公網(wǎng)underlay網(wǎng)絡環(huán)境中的數(shù)據(jù)安全性，并實現(xiàn)隧道中不同租戶的完全隔離。

SD-WAN的優(yōu)勢包括：(1)采用服務租賃模式，無需購買設備；(2)價格遠低于傳統(tǒng)專線，網(wǎng)絡質(zhì)量與專線接近；(3)用戶可根據(jù)實際需求購買服務，靈活增減；(4)云服務DPI自動識別, 路由優(yōu)化, 鏈路/應用優(yōu)化，云上SD-WAN節(jié)點, 保障上云體驗；(5)使用高強度加密通道，實現(xiàn)端到端加密；(6)集中管理，無需專人維護，降低人力成本。

2 VxLAN技術簡述

VxLAN（Virtual eXtensible Local Area Network）是一種大二層的虛擬網(wǎng)絡技術，是一種將原始以太網(wǎng)報文加上VxLAN頭部一起封裝在UDP數(shù)據(jù)包里的封裝格式。[3]其本質(zhì)是一種隧道技術，能在三層網(wǎng)絡的基礎上建立二層以太網(wǎng)網(wǎng)絡隧道，從而實現(xiàn)跨地域的二層互連，很好地解決了現(xiàn)有VLAN技術無法滿足海量租戶跨域大二層連接遷移需求的問題[2]。

RFC7348定 義 了VLAN擴 展 方 案VxLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虛擬擴展局域網(wǎng)）。VxLAN采用MAC in UDP（User Datagram Protocol）封裝方式[2]。

VxLAN header（VxLAN頭封裝）：

VxLAN Flags：標記位，8比特，取值為00001000。

VNI：VxLAN網(wǎng)絡標識，用于區(qū)分VxLAN段，由24比特組成，支持的數(shù)量多達16M，可類比于傳統(tǒng)二層網(wǎng)絡中的VLAN，但可支持1600萬個VNI，遠多于傳統(tǒng)VLAN的4094個，和VLAN一樣，同一個VNI是一個廣播域，只有在同一個VNI中，主機才能互相通信。

圖2 VxLAN的報文封裝格式[2]

■ 2.1 VxLAN與傳統(tǒng)三層隧道技術特性對比

對于云上業(yè)務，在進行業(yè)務拓展或者是數(shù)據(jù)備份時，經(jīng)常需要使用虛擬機動態(tài)遷移。在服務器虛擬化技術下，虛擬機動態(tài)遷移為了保證虛擬機動態(tài)遷移過程中的業(yè)務連續(xù)性，就需要保證虛擬機的IP地址不變，而且虛擬機的運行狀態(tài)也必須保持原狀，所以虛擬機動態(tài)遷移必須發(fā)生在一個二層域中。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中，同機房節(jié)點的虛擬機動態(tài)遷移比較容易實現(xiàn)，跨機房節(jié)點如果需要進行虛擬機動態(tài)遷移，傳統(tǒng)的三層隧道，如GRE、IPSec隧道無法保證虛擬機在動態(tài)遷移過程中業(yè)務連續(xù)性的，VxLAN作為二層隧道技術，可以將多個分點連接在同一個二層網(wǎng)絡域中，從而實現(xiàn)跨分點虛擬機動態(tài)遷移。

如圖3所示，數(shù)據(jù)中心A和數(shù)據(jù)中心B通過建立VxLAN隧道，數(shù)據(jù)中心中主機的IP同在172.16.0.0/24這個網(wǎng)段中，此時就對于虛擬機遷移，只需將虛擬機完整地從數(shù)據(jù)中心A復制到數(shù)據(jù)中心B中即可?；ヂ?lián)網(wǎng)或其他數(shù)據(jù)中心需要訪問該虛擬機業(yè)務完全不需要調(diào)整。而在這個場景下，如果是三層隧道互聯(lián)，數(shù)據(jù)中心A和數(shù)據(jù)中心B無法將業(yè)務承載在同一個網(wǎng)段中，虛擬機遷移必定更換IP地址，此時外界訪問該虛擬機就需要修改IP地址，會造成極大的業(yè)務上的不便。

圖3 跨機房二層虛擬機遷移

另一方面，在網(wǎng)絡拓展性方面，IPSEC如果要新增網(wǎng)絡分點需要實現(xiàn)所有分點的全互聯(lián)，使用GRE隧道需要打n＊(n-1)/2根隧道，而VxLAN隧道，在 VxLAN結(jié)合EVPN路由反射器的組網(wǎng)的方案中，路由器放射器為兩臺互為備份的場景下，則只需要2n根隧道就可以完成fullmesh組網(wǎng)，隧道數(shù)量較IPSEC少了一個數(shù)量級。

■ 2.2 通過EVPN over VxLAN技術的SD-WAN跨域組網(wǎng)方案

EVPN（Ethernet Virtual Private Network）是一種用于二層網(wǎng)絡互聯(lián)的VPN技術。EVPN技術采用類似于BGP/MPLS IP VPN的機制，通過擴展BGP協(xié)議，使用擴展后的可達性信息，使不同站點的二層網(wǎng)絡間的MAC地址學習和發(fā)布過程從數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)移到控制平面。我們使用VxLAN 格式對EVPN 數(shù)據(jù)平面報文進行封裝，即EVPN over VxLAN[4]。

如圖4所示，某企業(yè)有4個跨域節(jié)點，需要實現(xiàn)二層全互聯(lián)。所有SD-WAN終端可以使用IPSEC等加密隧道與SD-WAN控制器建立連接，實現(xiàn)SD-WAN終端的配置和管理。所有SD-WAN終端通過VxLAN隧道方式與路由反射器RR建立EVPN連接，并將同一租戶的SD-WAN終端分配在同一VNI中，此時在EVPN建立的控制平面下，就可實現(xiàn)不同SD-WAN終端間傳遞MAC地址和路由信息，從而控制不同Site上的數(shù)據(jù)報文跨區(qū)域進行傳輸，并可以實現(xiàn)云上業(yè)務的動態(tài)遷移。

圖4 使用EVPN組網(wǎng)拓撲

在需要同時承載多家企業(yè)，需要隔離租戶的情況下，可以將同一企業(yè)的業(yè)務劃入同一VNI，不同企業(yè)的業(yè)務劃入不同VNI，以達到隔離租戶的作用。如圖5所示，企業(yè)1劃分至VNI1，企業(yè)2劃分至VNI2，此時企業(yè)1和企業(yè)2可以互相隔離。根據(jù)用戶需求，也可將同一企業(yè)的不同業(yè)務劃入不同VNI中。

圖5 多家企業(yè)使用EVPN接入SD-WAN拓撲

■ 2.3 通過VxLAN解決分點兩邊分點IP地址不固定的問題

SD-WAN部署便利，維護簡易，成本低的優(yōu)勢，吸引了非常多的中小型企業(yè)部署。但在另一方面，中小企業(yè)辦公點，門店等，大多使用撥號上網(wǎng)寬帶，當出現(xiàn)斷線或IP地址租期到期后有可能會重新獲取不同IP地址的情況，現(xiàn)有的隧道技術對非固定IP的隧道建立，常常會非常困難。

借助SD-WAN管控分離的特點，以及EVPN over VxLAN與路由反射器RR建立連接即可與全網(wǎng)設備全互聯(lián)的特點，在分點上線時，先與SDWAN控制器建立連接注冊信息，包括上線的設備信息，以及分點當前的IP地址。然后與路由反射器RR建立EVPN的BGP連接，從而完成分點的業(yè)務上線。

在圖6場景中，分點1至分點3為已上線的SD-WAN的客戶終端，現(xiàn)需要進行分點4客戶終端的上線。步驟如下：

圖6 新增分點客戶終端入網(wǎng)拓撲

（1）SD-WAN終端在安裝時事先預設好license及設備名，該license及設備名事先在控制器上記錄。同時SD-WAN戶終端中預設有SDWAN控制器和路由反射器RR的IP地址（或域名）。

（2）SD-WAN終端上線時，先撥號通過運營商獲得IP地址，然后通過SD-WAN終端中預設的SD-WAN控制器的IP地址或域名，與控制器建立TCP連接。向控制器發(fā)送：①license；②設備名；③自身獲取的公網(wǎng)IP地址?？刂破魇盏絊D-WAN終端發(fā)送的報文后，與記錄的設備名和license對照，如果一致，則完成注冊，并且登記本次上線的時間及IP地址。

（3）完成在控制器上的注冊后，控制器向SD-WAN終端發(fā)送確認注冊的消息，同時，向路由反射器RR發(fā)送新上線的SD-WAN終端的IP地址。

（4）SD-WAN終端收到確認注冊報文后，以撥號獲取的IP作為VTEP，與路由反射器RR發(fā)起建立EVPN的BGP連接。路由反射器RR收到SD-WAN終端建立連接的請求，與控制器發(fā)送的IP確認一致后，與SD-WAN終端建立連接。

（5）SD-WAN終端與路由反射器RR建立EVPN的BGP連接后，完成VxLAN隧道建立，完成本次上線。此時新上線的節(jié)點可以與已上線的節(jié)點進行通信。

圖7 新增分點客戶終端入網(wǎng)流程

3 結(jié)語

SD-WAN結(jié)合VxLAN隧道技術的組網(wǎng)方案，相對于三層隧道技術方案，具有組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、Full-mesh組網(wǎng)建立隧道數(shù)量少，節(jié)省IP地址資源及可實現(xiàn)跨域二層互聯(lián)的優(yōu)點，特別在上云業(yè)務跨域虛擬機動態(tài)遷移場景中有較大的實用價值。同時，對于撥號上網(wǎng)無固定IP地址可能遇到的隧道建立困難問題，我們也設計了一種通過向有固定IP地址的總頭發(fā)起連接、通過控制器收集各分點的IP地址實現(xiàn)隧道建立的方案。對于VxLAN隧道在加密方面相對較弱的問題，在SD-WAN層面，可以將控制平面和業(yè)務平面的隧道連接采用不同的技術方案，對于更需要考慮安全性的控制平面使用IPSEC隧道方式，以更好地實現(xiàn)對控制報文的加密傳輸。