华为CloudEngine系列交换机VXLAN技术白皮书

CloudEngine系列交换机VXLAN技术白皮书文档版本01发布日期2014-09-20华为技术有限公司版权所有©华为技术有限公司2014。保留一切权利。非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。商标声明和其他华为商标均为华为技术有限公司的商标。本文档提及的其他所有商标或注册商标，由各自的所有人拥有。注意您购买的产品、服务或特性等应受华为公司商业合同和条款的约束，本文档中描述的全部或部分产品、服务或特性可能不在您的购买或使用范围之内。除非合同另有约定，华为公司对本文档内容不做任何明示或默示的声明或保证。由于产品版本升级或其他原因，本文档内容会不定期进行更新。除非另有约定，本文档仅作为使用指导，本文档中的所有陈述、信息和建议不构成任何明示或暗示的担保。华为技术有限公司地址：深圳市龙岗区坂田华为总部办公楼邮编：518129网址：(2014-09-20)华为专有和保密信息版权所有©华为技术有限公司i目录1VXLAN简介...................................................................................................................................12原理描述...........................................................................................................................................42.1基本概念........................................................................................................................................................................52.2报文格式........................................................................................................................................................................62.3隧道建立与维护............................................................................................................................................................72.4数据报文转发................................................................................................................................................................92.5VXLANQoS................................................................................................................................................................153应用场景.........................................................................................................................................173.1同网段终端用户通信的应用......................................................................................................................................183.2不同网段终端用户通信的应用..................................................................................................................................193.3在虚拟机迁移场景中的应用......................................................................................................................................204基于SDN控制器的VXLAN配置示例.....................................................................................235参考标准和协议.............................................................................................................................39CloudEngine系列交换机VXLAN技术白皮书目录文档版本01(2014-09-20)华为专有和保密信息版权所有©华为技术有限公司ii1VXLAN简介介绍VXLAN的定义、目的和受益。定义VXLAN（VirtualeXtensibleLocalAreaNetwork）是VLAN扩展方案草案，采用MACinUDP（UserDatagramProtocol）封装方式，是NVo3（NetworkVirtualizationoverLayer3）中的一种网络虚拟化技术。目的作为云计算的核心技术之一，服务器虚拟化凭借其大幅降低IT成本、提高业务部署灵活性、降低运维成本等优势已经得到越来越多的认可和部署。CloudEngine系列交换机VXLAN技术白皮书1VXLAN简介文档版本01(2014-09-20)华为专有和保密信息版权所有©华为技术有限公司1图1-1服务器虚拟化示意图VSwitchVSwitchVSwitchVMVMVMVMVMVMVMVMVMVMVMVMVMVMVMVMVSwitchServer1Server2Server3Server4............如图1-1所示，一台服务器可虚拟多台虚拟机，而一台虚拟机相当于一台主机。主机的数量发生了数量级的变化，这也为虚拟网络带来了如下问题：l虚拟机规模受网络规格限制在大二层网络环境下，数据报文是通过查询MAC地址表进行二层转发，而MAC地址表的容量限制了虚拟机的数量。l网络隔离能力限制当前主流的网络隔离技术是VLAN或VPN（VirtualPrivateNetwork），在大规模的虚拟化网络中部署存在如下限制：–由于IEEE802.1Q中定义的VLANTag域只有12比特，仅能表示4096个VLAN，无法满足大二层网络中标识大量用户群的需求。–传统二层网络中的VLAN/VPN无法满足网络动态调整的需求。l虚拟机迁移范围受网络架构限制虚拟机启动后，可能由于服务器资源等问题（如CPU过高，内存不够等），需要将虚拟机迁移到新的服务器上。为了保证虚拟机迁移过程中业务不中断，则需要保证虚拟机的IP地址、MAC地址等参数保持不变，这就要求业务网络是一个二层网络，且要求网络本身具备多路径的冗余备份和可靠性。针对大二层网络，VXLAN的提出很好地解决了上述问题。CloudEngine系列交换机VXLAN技术白皮书1VXLAN简介文档版本01(2014-09-20)华为专有和保密信息版权所有©华为技术有限公司2l针对虚拟机规模受网络规格限制VXLAN将虚拟机发出的数据包封装在UDP中，并使用物理网络的IP/MAC地址作为外层头进行封装，对网络只表现为封装后的参数。因此，极大降低了大二层网络对MAC地址规格的需求。l针对网络隔离能力限制VXLAN引入了类似VLANID的用户标识，称为VXLAN网络标识VNI（VXLANNetworkID），由24比特组成，支持多达16M（(2^24-1)/1024^2）的VXLAN段，从而满足了大量的用户标识。l针对虚拟机迁移范围受网络架构限制通过VXLAN构建大二层网络，保证了在虚拟迁移时虚拟机的IP地址、MAC地址等参数保持不变。受益随着数据中心在物理网络基础设施上实施服务器虚拟化的快速发展，作为NVo3技术之一的VXLAN：l通过24比特的VNI可以支持多达16M的VXLAN段的网络隔离，对用户进行隔离和标识不再受到限制，可满足海量租户。l除VXLAN网络边缘设备，网络中的其他设备不需要识别虚拟机的MAC地址，减轻了设备的MAC地址学习压力，提升了设备性能。l通过采用MACinUDP封装来延伸二层网络，实现了物理网络和虚拟网络解耦，租户可以规划自己的虚拟网络，不需要考虑物理网络IP地址和广播域的限制，大大降低了网络管理的难度。CloudEngine系列交换机VXLAN技术白皮书1VXLAN简介文档版本01(2014-09-20)华为专有和保密信息版权所有©华为技术有限公司32原理描述关于本章介绍VXLAN的实现原理。2.1基本概念2.2报文格式2.3隧道建立与维护2.4数据报文转发2.5VXLANQoSCloudEngine系列交换机VXLAN技术白皮书2原理描述文档版本01(2014-09-20)华为专有和保密信息版权所有©华为技术有限公司42.1基本概念VXLAN通过采用MACinUDP封装来延伸二层网络，是大二层虚拟网络扩展的隧道封装技术。在大二层网络，为了方便控制与部署引入了SDN（SoftwareDefinedNetwork）控制器概念。控制器通过OpenFlow协议将信息下发给转发器，以实现控制器统一维护管理。图2-1VXLAN结构示意图VMVMVSwitchUDP4789VNI20VNI200VAP2VAP3VTEPIP1NVE转发器控制器Openflow协议VLAN3UntaggedVXLAN隧道Openflow协议VMVMVSwitch转发器VLAN3Untagged结合图2-1介绍控制器和VXLAN相关概念。l通过SDN控制器可简化网络操作维护，相关概念如表2-1所示。表2-1控制器相关概念概念描述控制器（Controller）控制器是OpenFlow协议的控制面服务器，所有的路径计算与管理都由独立的控制器完成。通常，刀片服务器即可作为控制器。转发器OpenFlow协议的转发平面设备，只处理数据转发任务。OpenFlow协议OpenFlow协议是SDN中的重要协议，是控制器和转发器的通信通道。控制器通过OpenFlow协议将信息下发给转发器。CloudEngine系列交换机VXLAN技术白皮书2原理描述文档版本01(2014-09-20)华为专有和保密信息版权所有©华为技术有限公司5概念描述OpenFlow流表OpenFlow流表用来指导转发器进行报文转发。转发器根据流表中的匹配项对报文进行匹配，匹配上则执行相应的动作。如，流表的匹配域是源MAC地址，动作是向某个端口转发，则转发器根据这个流表，对匹配这个MAC地址的报文进行向某个端口转发的动作。控制器通过下发流表直接控制转发器的转发行为，实现控制器对转发器的