隨著互聯(lián)網(wǎng)+、云計算以及大數(shù)據(jù)等業(yè)務應用的規(guī)模落地，以云計算、虛擬化等技術為基礎的各種規(guī)�；\營的云數(shù)據(jù)中心如雨后春筍般悄然崛起，虛擬化是云數(shù)據(jù)中心的關鍵技術，除了已經(jīng)發(fā)展成熟的服務器虛擬化外，網(wǎng)絡虛擬化的需求也逐漸在增加。然而，傳統(tǒng)的虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在云數(shù)據(jù)中心規(guī)�；\營發(fā)展的需求；因此，各大IT廠商聯(lián)合推出了能夠解決這種需求的VXLAN技術，受到了各大型云數(shù)據(jù)中心建設者重點關注。
傳統(tǒng)vlan技術的局限性
首先，傳統(tǒng)的VLAN技術基于IEEE的802.1Q協(xié)議，在該協(xié)議的幀格式里面定義了VLAN ID的位數(shù)為12比特，最多只能支持4094個VLAN；隨著云數(shù)據(jù)中心的各種業(yè)務應用的規(guī)模落地，業(yè)務量不斷增長，就可能需要成千上萬個VLAN，傳統(tǒng)VLAN的數(shù)量不能滿足云數(shù)據(jù)中心日后業(yè)務規(guī)模發(fā)展的需求。
其次，物理服務器被虛擬化以后，云數(shù)據(jù)中心內(nèi)部虛擬機的數(shù)量比原有的物理機發(fā)生了數(shù)量級的增加，與之對應的虛擬機虛擬網(wǎng)卡的MAC地址數(shù)量也相應的增加，這對云數(shù)據(jù)中心與物理服務器相連接的交換機地址容量能力產(chǎn)生了很大沖擊，當虛擬機數(shù)量很多時，會導致交換機的MAC地址表溢出，從而導致數(shù)據(jù)幀的丟棄或者產(chǎn)生大量的廣播幀，嚴重影響網(wǎng)絡的性能。
最后，云數(shù)據(jù)中心中虛擬機通常需要在一定范圍內(nèi)遷移，在傳統(tǒng)的VLAN網(wǎng)絡下，虛擬機只能在二層網(wǎng)絡下遷移，并且為了能夠支持虛擬機的遷移，需要在二層網(wǎng)絡中，對VLAN進行預配置，造成VLAN配置混亂，影響VLAN廣播域的隔離，降低了網(wǎng)絡的效率。
VXLAN(Virtual eXtensible Local Area Network)虛擬擴展局域網(wǎng)是一種進行大二層虛擬網(wǎng)絡擴展的隧道封裝技術，可以很好地解決上述問題，目前這個技術已經(jīng)成為各種規(guī)�；\營的云數(shù)據(jù)中心不可忽視的關鍵應用技術。
VXLAN技術原理
VXLAN是一種隧道封裝技術，能在三層網(wǎng)絡的基礎上建立二層網(wǎng)絡隧道，從而實現(xiàn)跨地域的二層互連，VXLAN通過引入一個UDP格式的外層隧道，使得原有數(shù)據(jù)報文內(nèi)容作為凈荷來傳輸，可以讓凈荷數(shù)據(jù)輕而易舉的在二三層網(wǎng)絡中傳送，VXLAN的報文封裝結構如下圖所示，VXLAN報文包括外層封裝和內(nèi)層的原始凈荷兩部分。
VXLAN報文中，F(xiàn)lags(8b)其中I必須被設置為1，R需設為0，才是有效的；Reservedfields(24b and 8b)必須被設置為0，VXLAN外層隧道的目的端口號為4789；引入了一個VXLAN ID（VNI-VXLAN Network Identifier)作為虛擬網(wǎng)絡的標識，長度為24bits，與原有的VLAN 12bits長度相比，VXLAN ID長度增加了一倍，可以支持16M個虛擬網(wǎng)絡；在VXLAN技術標準中，在物理網(wǎng)絡的邊緣引入了一個VTEP（Vxlan Tunnel End Point）的邏輯體，實現(xiàn)物理網(wǎng)絡和虛擬網(wǎng)絡的隔離，完成VXLAN報文的封裝和解封裝；VXLAN標準還定義了一個VXLAN網(wǎng)關實體（VXLAN Gateway），負責VXLAN之間以及同傳統(tǒng)VLAN之間報文的映射和轉發(fā)，VXLAN與傳統(tǒng)VLAN及不同VXLAN的虛擬機之間互訪。
VXLAN報文格式
VXLAN技術優(yōu)勢
首先，具有更大的靈活性，原來虛擬機的遷移只能在同網(wǎng)段的二層網(wǎng)絡上進行，受到地理位置的嚴重限制。VXLAN通過隧道技術來構建可以跨越多個3層網(wǎng)絡的虛擬2層網(wǎng)絡，虛擬機可以在物理位置分散的數(shù)據(jù)中心之間進行遷移，這使得虛擬機的部署更加靈活和方便
其次，VXLAN數(shù)據(jù)包是在標準第3層IP網(wǎng)絡上運行，L2-4層鏈路HASH能力強，不再需要構建和管理龐大的第2層基礎傳輸層，不需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡進行改造；除VXLAN網(wǎng)絡邊緣設備，網(wǎng)絡中的其他設備不需要識別虛擬機的MAC地址，減輕了設備的MAC地址學習壓力，提升了設備性能。
第三，VXLAN可以在業(yè)界標準的交換機硬件上運行，交換機上無需進行軟件升級，也不必采用特殊的代碼版本；商用網(wǎng)絡芯片大部分支持VXLAN技術的運行；VXLAN通過采用MAC in UDP封裝來延伸二層網(wǎng)絡，實現(xiàn)了物理網(wǎng)絡和虛擬網(wǎng)絡解耦，租戶可以按需規(guī)劃自己的虛擬網(wǎng)絡，不需要考慮物理網(wǎng)絡IP地址和廣播域的限制，大大降低了網(wǎng)絡管理的難度。
最后，極大的擴充了二層網(wǎng)段的數(shù)量，VXLAN技術通過24比特的VNI可以支持多達16M的VXLAN段的網(wǎng)絡隔離，對用戶進行隔離和標識不再受到限制，可以滿足云數(shù)據(jù)中心海量多租戶的邏輯網(wǎng)段分隔的需求。
VXLAN部署方法
VXLAN部署模擬示意圖
如上圖，VXLAN網(wǎng)絡設備主要有三種角色，分別是VTEP(VXLAN Tunnel End Point)、VXLAN網(wǎng)關、VXLAN IP網(wǎng)關，對于應用系統(tǒng)來說，只與這三種設備相關，而與底層傳統(tǒng)三層IP網(wǎng)絡無關。
VTEP、VXLAN網(wǎng)關、VXLAN IP網(wǎng)關、形態(tài)可以是虛擬交換機，也可以是物理交換機。根據(jù)VTEP、VXLAN網(wǎng)關、VXLAN IP網(wǎng)關是虛擬交換機還是物理交換機，VXLAN網(wǎng)絡的部署方法主要分三種。
�。�1) 第一種是VTEP、VXLAN網(wǎng)關、VXLAN IP網(wǎng)關均通過安裝在服務器上的軟件實現(xiàn)。
（2) 第二種是VTEP、VXLAN網(wǎng)關、VXLAN IP網(wǎng)關均由物理交換機承擔，物理服務器支持SR-IOV功能，使虛擬機通過SR-IOV技術直接與物理交換機相連，虛擬機的流量在接入交換機上進行VXLAN報文的封裝和解封裝。
（3)第三種是VTEP由安裝在服務器上的軟件實現(xiàn)，VXLAN網(wǎng)關、VXLAN IP網(wǎng)關由物理交換機承擔。
對于第一種部署方法，由于所有VXLAN報文的封裝解封裝都通過軟件實現(xiàn)，會占用部分服務器資源，特別是VXLAN IP網(wǎng)關，當訪問量大時，將會成為系統(tǒng)瓶頸。對于第二種部署方法，由于需要通過一些特殊的要求或技術實現(xiàn)虛擬機與VTEP的對接，組網(wǎng)不夠靈活。第三種部署方法通過安裝在服務器上的軟件實現(xiàn)虛擬機的VTEP，通過物理交換機實現(xiàn)物理服務器的VTEP，通過專業(yè)的硬件交換機實現(xiàn)VXLAN IP網(wǎng)關，從而可承載超大規(guī)模的流量轉發(fā)，避免成為系統(tǒng)瓶頸，第三種部署方法結合了第一種和第二種方法的優(yōu)勢，相對而言是目前最優(yōu)的部署方法。
VXLAN應用場景
VXLAN在云數(shù)據(jù)中心之間虛擬機遷移中的應用，如某個企業(yè)在不同的數(shù)據(jù)中心有不同業(yè)務應用的虛擬機，數(shù)據(jù)中心之間虛擬機遷移是經(jīng)常會遇到的，為了保證虛擬機遷移過程中業(yè)務不中斷，則需要保證遷移虛擬機的IP地址、MAC地址等參數(shù)保持不變，這就要求虛擬機遷移前后屬于統(tǒng)一個二層網(wǎng)絡。如果使用傳統(tǒng)方法解決此問題，可能需要購買新的物理設備以分離流量，并可能導致諸如VLAN散亂、網(wǎng)絡成環(huán)以及系統(tǒng)和管理開銷等問題。
為了成功實現(xiàn)虛擬機在業(yè)務不中斷情況下的遷移，可通過VXLAN技術實現(xiàn)。VXLAN是MAC in UDP的網(wǎng)絡虛擬化技術，只要物理網(wǎng)絡支持IP轉發(fā)，所有IP路由可達的終端用戶即可建立一個大范圍二層網(wǎng)絡；在虛擬機上聯(lián)的交換機上配置VXLAN相關信息，虛擬機上聯(lián)交換機之間建立VXLAN隧道和VXLAN網(wǎng)關，通過VXLAN隧道和VXLAN網(wǎng)關，可實現(xiàn)在不同數(shù)據(jù)中心之間虛擬機成功遷移，并且可保證虛擬機遷移過程中網(wǎng)絡無感知、業(yè)務不中斷。
VXLAN在SDN環(huán)境下的應用，SDN環(huán)境下，可以通過SDN控制器來實現(xiàn)VXLAN的IP和VID之間相關信息的對應關系，SDN控制器可以作為ARP代答設備，這樣大大提高了VXLAN的靈活性與擴展性。所以VXLAN技術在SDN環(huán)境中可以被廣泛應用。
對于同一VXLAN內(nèi)不同的虛擬機互通，虛擬機上線后將在SDN上進行相關虛擬機地址和VXLAN隧道終端信息的對應，后續(xù)虛擬機之間的互通，通過SDN控制器進行ARP的代答，并直接下發(fā)流表，從而在虛擬機之間建立通信隧道。
對于不同VXLAN之間的虛擬機互通，由于云數(shù)據(jù)中心SDN控制器包含所有數(shù)據(jù)中心內(nèi)的相關虛擬機信息，可以將SDN控制器作為VXLAN網(wǎng)關，不同云數(shù)據(jù)中心之間的SDN控制器可以通過相關路由協(xié)議交換相關虛擬機信息，實現(xiàn)不同VXLAN及同傳統(tǒng)網(wǎng)絡的虛擬機之間互通。
VXLAN應用前景分析
在互聯(lián)網(wǎng)+、云計算、大數(shù)據(jù)等應用和服務快速發(fā)展的時代，云數(shù)據(jù)中心需要的邏輯虛擬網(wǎng)絡數(shù)急劇增加，VXLAN技術能有效解決云數(shù)據(jù)中心邏輯網(wǎng)段不足、虛擬機上聯(lián)交換機MAC地址溢出等問題，主要應用于大型的云計算服務運營商或者超大型企業(yè)的云數(shù)據(jù)中心，對于中小型企業(yè)或機構的數(shù)據(jù)中心，傳統(tǒng)的VLAN技術已經(jīng)足夠。另外，VXLAN技術本身還未完善，還有很多需要改進的地方。隨著VXLAN技術的逐步完善，將會成為網(wǎng)絡虛擬化技術當中的主流技術，在規(guī)模化的云數(shù)據(jù)中心必將得到廣泛應用。
