虚拟局域网扩展(VXLAN)
2025-02-08 14:41:24 
阿炯
虚拟局域网扩展（Virtual Extensible LAN，VXLAN）是一种网络虚拟化技术，它试图改善大云计算部署相关的可扩展性问题。它采用类似VLAN封装技术封装基于MAC含括第4层的UDP数据包的OSI第2层以太网帧，使用4789作为默认分配的IANA目的地UDP端口号。是一项革命性的网络虚拟化技术，是企业数字化转型的基础设施革命。
VXLAN是努力覆盖封装协议的演变，它提高了可扩展性达1600万个逻辑网络，并允许透过IP网络邻接第2层。使用HER（Head-End Replication）的多播或单播是用来淹没BUM（broadcast，unknown destination address，multicast）流量。VXLAN是一种创新的Overlay网络技术，通过MAC-in-UDP封装实现：
24位VNI（VXLAN Network Identifier）标识，支持1600万个虚拟网络（是传统VLAN的4096倍！）
突破物理边界，构建跨三层网络的二层大二层域
标准UDP 4789端口，完美穿透现有网络设备
不少的设备厂商均有相关的方案提供，VXLAN规格一开始是由 VMware、Arista Networks和Cisco建立的，其他的VXLAN技术拥护者包括Huawei、Broadcom、Citrix、Pica8、Cumulus Networks、Dell、Mellanox、OpenBSD、Red Hat 和 Juniper Networks。
VXLAN正式由IETF记录在RFC 7348内。Open vSwitch支持VXLAN覆盖网络。
VXLAN可以为网络提供以下作用：
1.突破VLAN的最多4096个终端的数量限制，以满足大规模云计算数据中心的需求。目前因为现在虚拟化技术的发展，在数据中心里的服务器都模拟成虚拟机（VM），而且VM一般都会需要分割成组，达成二层隔离，目前大多是透过VLAN技术实现的。但VLAN技术的缺陷是VLAN Header预留的长度只有12 bit，最多只能支持4096个，无法满足日益增长的需求。目前VXLAN的报文Header内有24 bit，可以支持224次方的VNI个数。(VXLAN中透过VNI来识别，相当于VLAN ID)
2.解决STP在大型网络设备带宽浪费和收敛性能变慢的缺陷。在数据中心一旦启动STP，将导致链路带宽的浪费。此外，当拓扑增加到二百台网络设备时，收敛性能会显变慢。
3.解决ToR（Top of Rack）交换机MAC表耗尽问题。二层网络出现后，不仅要记录数据中心二层设备的MAC地址，还得记录其他数据中心二层范围内的地址，这包括了海量的虚拟机的MAC地址，这增加了TOR MAC表的需求。但目前的交换机芯片远远无法满足此一需求。
核心组件全景图
解密VXLAN协议栈
+---------------------------------+
| 原始以太网帧（1500字节） |
+---------------------------------+
| VXLAN头部（8字节） | → VNI标识/标志位
+---------------------------------+
| UDP头部（8字节） | → 目的端口4789
+---------------------------------+
| 外层IP头部（20字节） | → Underlay网络路由
+---------------------------------+
| 外层MAC头部（14字节） | → 物理网络传输
+---------------------------------+
MTU需调整至1550字节以上（建议1600）避免分片。
VXLAN采用MAC-in-UDP封装，在原始以太网帧外添加多层头部：
+---------------------------------+
| 原始以太网帧（1500字节） |
+---------------------------------+
| VXLAN头部（8字节） |
| - Flags（8位） |
| - VNI（24位） |
| - Reserved（24位+8位） |
+---------------------------------+
| UDP头部（8字节） |
| - 源端口（动态分配） |
| - 目的端口（4789） |
+---------------------------------+
| 外层IP头部（20字节） |
| - 源IP（本地VTEP地址） |
| - 目的IP（远端VTEP地址） |
+---------------------------------+
| 外层MAC头部（14字节） |
| - 源MAC（本地VTEP MAC） |
| - 目的MAC（下一跳MAC） |
+---------------------------------+
VXLAN头部：包含24位VNI，用于标识虚拟网络。
UDP头部：使用标准端口4789，确保兼容性。
外层IP头部：用于在Underlay网络中路由数据包。
封装过程
1.原始帧接收：VTEP接收到虚拟机发送的以太网帧。
2.VXLAN封装：
添加VXLAN头部（含VNI）。
添加UDP头部（源端口动态分配，目的端口4789）。
添加外层IP头部（源IP为本地VTEP，目的IP为远端VTEP）。
添加外层MAC头部（用于物理网络传输）。
3.发送封装后的数据包：通过Underlay网络发送到远端VTEP。
控制平面三大流派
1.多播模式（传统方案）
使用多播组传播广播、未知单播和多播流量。
每个VNI映射到一个多播组（如VNI 5000映射到239.1.1.1）。
依赖IGMP协议维护VTEP组
示例：224.1.1.1多播组对应VNI 5001
2.单播模式+集中式控制
已知单播：通过MAC表查找目的VTEP地址，直接发送。
未知单播：泛洪到同一VNI的所有VTEP。
采用SDN控制器（如NSX、ACI）
典型架构：PIM-SM+RP实现最优路径
3.BGP EVPN（现代主流）
通过MP-BGP传播MAC/IP信息
支持Active-Active多活网关
VXLAN vs VLAN
VLAN是一种在二层网络中实现逻辑分区的技术，通过在以太网帧中添加VLAN标签（802.1Q）来区分不同的网络分段。
核心特性：
12位VLAN ID，支持最多4094个虚拟网络。
基于MAC地址的二层转发。
依赖生成树协议（STP）避免环路。
而VXLAN是一种Overlay网络技术，通过MAC-in-UDP封装实现跨三层网络的二层扩展。
核心特性：
24位VNI（VXLAN Network Identifier），支持1600万个虚拟网络。
基于IP网络的隧道技术，突破物理边界。
支持多播、单播和BGP EVPN等多种控制平面。
VXLAN vs VLAN：数据封装
VXLAN vs VLAN：控制平面
VXLAN vs VLAN
VLAN和VXLAN各有优劣，选择哪种技术取决于你的具体需求和场景。在传统网络中，VLAN仍然是可靠的选择；而在云原生时代，VXLAN无疑是更强大的工具。
应用场景实战解析
1、云计算多租户网络
# OpenStack Neutron VXLAN配置示例
[ml2_type_vxlan]
vni_ranges = 10000:20000
vxlan_group = 239.1.1.1
[ovs]
bridge_mappings = physnet1:br-ex
tunnel_type = vxlan
对比传统VLAN：租户隔离粒度提升4000倍！
2、跨数据中心大二层
案例：两地三中心架构中实现VMotion
关键技术：VXLAN+EVPN+ECMP（延迟<5ms）
容器网络方案
典型方案：Calico+VXLAN模式
性能指标：PPS提升300% vs传统VLAN
运维监控要点
关键指标：VXLAN封装率、VTEP状态、BGP会话
诊断命令：
show nve peers（Cisco）
display vxlan tunnel（Huawei）
ovs-ofctl dump-flows br-tun（Open vSwitch）
挑战与未来演进
当前技术痛点
1.封装开销导致~15%带宽损耗
2.硬件要求：需支持VXLAN Offload的网卡
下一代技术演进
1.GENEVE（通用网络虚拟化封装）
2.SRv6+VXLAN融合方案
3.AI驱动的智能流量调度
VXLAN是努力覆盖封装协议的演变，它提高了可扩展性达1600万个逻辑网络，并允许透过IP网络邻接第2层。使用HER（Head-End Replication）的多播或单播是用来淹没BUM（broadcast，unknown destination address，multicast）流量。VXLAN是一种创新的Overlay网络技术，通过MAC-in-UDP封装实现：
24位VNI（VXLAN Network Identifier）标识，支持1600万个虚拟网络（是传统VLAN的4096倍！）
突破物理边界，构建跨三层网络的二层大二层域
标准UDP 4789端口，完美穿透现有网络设备
不少的设备厂商均有相关的方案提供，VXLAN规格一开始是由 VMware、Arista Networks和Cisco建立的，其他的VXLAN技术拥护者包括Huawei、Broadcom、Citrix、Pica8、Cumulus Networks、Dell、Mellanox、OpenBSD、Red Hat 和 Juniper Networks。
VXLAN正式由IETF记录在RFC 7348内。Open vSwitch支持VXLAN覆盖网络。
VXLAN可以为网络提供以下作用：
1.突破VLAN的最多4096个终端的数量限制，以满足大规模云计算数据中心的需求。目前因为现在虚拟化技术的发展，在数据中心里的服务器都模拟成虚拟机（VM），而且VM一般都会需要分割成组，达成二层隔离，目前大多是透过VLAN技术实现的。但VLAN技术的缺陷是VLAN Header预留的长度只有12 bit，最多只能支持4096个，无法满足日益增长的需求。目前VXLAN的报文Header内有24 bit，可以支持224次方的VNI个数。(VXLAN中透过VNI来识别，相当于VLAN ID)
2.解决STP在大型网络设备带宽浪费和收敛性能变慢的缺陷。在数据中心一旦启动STP，将导致链路带宽的浪费。此外，当拓扑增加到二百台网络设备时，收敛性能会显变慢。
3.解决ToR（Top of Rack）交换机MAC表耗尽问题。二层网络出现后，不仅要记录数据中心二层设备的MAC地址，还得记录其他数据中心二层范围内的地址，这包括了海量的虚拟机的MAC地址，这增加了TOR MAC表的需求。但目前的交换机芯片远远无法满足此一需求。
核心组件全景图
解密VXLAN协议栈
+---------------------------------+
| 原始以太网帧（1500字节） |
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| VXLAN头部（8字节） | → VNI标识/标志位
+---------------------------------+
| UDP头部（8字节） | → 目的端口4789
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| 外层IP头部（20字节） | → Underlay网络路由
+---------------------------------+
| 外层MAC头部（14字节） | → 物理网络传输
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MTU需调整至1550字节以上（建议1600）避免分片。
VXLAN采用MAC-in-UDP封装，在原始以太网帧外添加多层头部：
+---------------------------------+
| 原始以太网帧（1500字节） |
+---------------------------------+
| VXLAN头部（8字节） |
| - Flags（8位） |
| - VNI（24位） |
| - Reserved（24位+8位） |
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| UDP头部（8字节） |
| - 源端口（动态分配） |
| - 目的端口（4789） |
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| 外层IP头部（20字节） |
| - 源IP（本地VTEP地址） |
| - 目的IP（远端VTEP地址） |
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| 外层MAC头部（14字节） |
| - 源MAC（本地VTEP MAC） |
| - 目的MAC（下一跳MAC） |
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VXLAN头部：包含24位VNI，用于标识虚拟网络。
UDP头部：使用标准端口4789，确保兼容性。
外层IP头部：用于在Underlay网络中路由数据包。
封装过程
1.原始帧接收：VTEP接收到虚拟机发送的以太网帧。
2.VXLAN封装：
添加VXLAN头部（含VNI）。
添加UDP头部（源端口动态分配，目的端口4789）。
添加外层IP头部（源IP为本地VTEP，目的IP为远端VTEP）。
添加外层MAC头部（用于物理网络传输）。
3.发送封装后的数据包：通过Underlay网络发送到远端VTEP。
控制平面三大流派
1.多播模式（传统方案）
使用多播组传播广播、未知单播和多播流量。
每个VNI映射到一个多播组（如VNI 5000映射到239.1.1.1）。
依赖IGMP协议维护VTEP组
示例：224.1.1.1多播组对应VNI 5001
2.单播模式+集中式控制
已知单播：通过MAC表查找目的VTEP地址，直接发送。
未知单播：泛洪到同一VNI的所有VTEP。
采用SDN控制器（如NSX、ACI）
典型架构：PIM-SM+RP实现最优路径
3.BGP EVPN（现代主流）
通过MP-BGP传播MAC/IP信息
支持Active-Active多活网关
VXLAN vs VLAN
VLAN是一种在二层网络中实现逻辑分区的技术，通过在以太网帧中添加VLAN标签（802.1Q）来区分不同的网络分段。
核心特性：
12位VLAN ID，支持最多4094个虚拟网络。
基于MAC地址的二层转发。
依赖生成树协议（STP）避免环路。
而VXLAN是一种Overlay网络技术，通过MAC-in-UDP封装实现跨三层网络的二层扩展。
核心特性：
24位VNI（VXLAN Network Identifier），支持1600万个虚拟网络。
基于IP网络的隧道技术，突破物理边界。
支持多播、单播和BGP EVPN等多种控制平面。
VXLAN vs VLAN：数据封装
VXLAN vs VLAN：控制平面
VXLAN vs VLAN
VLAN和VXLAN各有优劣，选择哪种技术取决于你的具体需求和场景。在传统网络中，VLAN仍然是可靠的选择；而在云原生时代，VXLAN无疑是更强大的工具。
应用场景实战解析
1、云计算多租户网络
# OpenStack Neutron VXLAN配置示例
[ml2_type_vxlan]
vni_ranges = 10000:20000
vxlan_group = 239.1.1.1
[ovs]
bridge_mappings = physnet1:br-ex
tunnel_type = vxlan
对比传统VLAN：租户隔离粒度提升4000倍！
2、跨数据中心大二层
案例：两地三中心架构中实现VMotion
关键技术：VXLAN+EVPN+ECMP（延迟<5ms）
容器网络方案
典型方案：Calico+VXLAN模式
性能指标：PPS提升300% vs传统VLAN
运维监控要点
关键指标：VXLAN封装率、VTEP状态、BGP会话
诊断命令：
show nve peers（Cisco）
display vxlan tunnel（Huawei）
ovs-ofctl dump-flows br-tun（Open vSwitch）
挑战与未来演进
当前技术痛点
1.封装开销导致~15%带宽损耗
2.硬件要求：需支持VXLAN Offload的网卡
下一代技术演进
1.GENEVE（通用网络虚拟化封装）
2.SRv6+VXLAN融合方案
3.AI驱动的智能流量调度