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什么是 VXLAN?
什么是 VXLAN
VXLAN(Virtual eXtensible Local Area Network,虚拟扩展局域网),是
由 IETF 定义的 NVO3(Network Virtualization over Layer 3)标准技术之
一,是对传统 VLAN 协议的一种扩展。VXLAN 的特点是将 L2 的以太帧
封装到 UDP 报文(即 L2 over L4)中,并在 L3 网络中传输。
如图 1-1 所示,VXLAN 本质上是一种隧道技术,在源网络设备与目的网
络设备之间的 IP 网络上,建立一条逻辑隧道,将用户侧报文经过特定的
封装后通过这条隧道转发。从用户的角度来看,接入网络的服务器就像是
连接到了一个虚拟的二层交换机的不同端口上(可把蓝色虚框表示的数据
中心 VXLAN 网络看成一个二层虚拟交换机),可以方便地通信。
图 1-1 VXLAN 是一种隧道技术
VXLAN 已经成为当前构建数据中心的主流技术,是因为它能很好地满足
数据中心里虚拟机动态迁移和多租户等需求。
为什么需要 VXLAN
为什么需要 VXLAN 呢?这和数据中心服务器侧的虚拟化趋势紧密相关,
一方面服务器虚拟化后出现了虚拟机动态迁移,要求提供一个无障碍接入
的网络;另一方面,数据中心规模越发庞大,租户数量激增,需要网络提
供隔离海量租户的能力。采用 VXLAN 可以满足上述两个关键需求。
虚拟机动态迁移,要求提供一个无障碍接入的网络。
什么是服务器虚拟化技术?
传统的数据中心物理服务器利用率太低,平均只有 10%~15%,浪费了大
量的电力能源和机房资源,所以出现了服务器虚拟化技术。如图 1-2 所示,
服务器虚拟化技术是把一台物理服务器虚拟化成多台逻辑服务器,这种逻
辑服务器被称为虚拟机(VM)。每个 VM 都可以独立运行,有自己的操
作系统、APP,当然也有自己独立的 MAC 地址和 IP 地址,它们通过服务
器内部的虚拟交换机(vSwitch)与外部实体网络连接。
图 1-2 服务器虚拟化示意
通过服务器虚拟化,可以有效地提高服务器的利用率,降低能源消耗,降
低数据中心的运营成本,所以虚拟化技术目前得到了广泛的应用。
什么是虚拟机动态迁移?
所谓虚拟机动态迁移,就是在保证虚拟机上服务正常运行的同时,将一个
虚拟机系统从一个物理服务器移动到另一个物理服务器的过程。该过程对
于最终用户来说是无感知的,从而使得管理员能够在不影响用户正常使用
的情况下,灵活调配服务器资源,或者对物理服务器进行维修和升级。
在服务器虚拟化后,虚拟机动态迁移变得常态化,为了保证迁移时业务不
中断,就要求在虚拟机迁移时,不仅虚拟机的 IP 地址不变,而且虚拟机
的运行状态也必须保持原状(例如 TCP 会话状态),所以虚拟机的动态
迁移只能在同一个二层域中进行,而不能跨二层域迁移。
如图 1-3 所示,传统的二三层网络架构限制了虚拟机的动态迁移范围,迁
移只能在一个较小的局部范围内进行,应用受到了极大的限制。
图 1-3 传统的二三层网络架构限制了虚拟机的动态迁移范围
为了打破这种限制,实现虚拟机的大范围甚至跨地域的动态迁移,就要求
把 VM 迁移可能涉及的所有服务器都纳入同一个二层网络域,这样才能
实现 VM 的大范围无障碍迁移。
VXLAN 如何满足虚拟机动态迁移时对网络的要求?
众所周知,同一台二层交换机可以实现下挂服务器之间的二层通信,而且
服务器从该二层交换机的一个端口迁移到另一个端口时,IP 地址是可以
保持不变的。这样就可以满足虚拟机动态迁移的需求了。VXLAN 的设计
理念和目标正是由此而来的。
从上一个小节我们可以知道,VXLAN 本质上是一种隧道技术,当源和目
的之间有通信需求时,便在数据中心 IP 网络之上创建一条虚拟的隧道,
透明转发用户数据。而数据中心内相互通信的需求众多,这种隧道的建立
方式几乎是全互联形态才能满足通信需求。
VXLAN 可以提供一套方法论,在数据中心 IP 网络基础上,构建一张全
互联的二层隧道虚拟网络,保证任意两点之间都能通过 VXLAN 隧道来通
信,并忽略底层网络的结构和细节。从服务器的角度看,VXLAN 为它们
将整个数据中心基础网络虚拟成了一台巨大的“二层交换机”,所有服务器
都连接在这台虚拟二层交换机上。而基础网络之内如何转发都是这台“巨
大交换机”内部的事情,服务器完全无需关心。
图 1-4 VXLAN 将整个数据中心基础网络虚拟成了一台巨大的“二层交换机”
基于这种“二层交换机”的模型,就很容易理解为什么 VXLAN 可以实现 VM
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