關于網(wǎng)絡虛擬化的完備指南

針對如何優(yōu)化數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)，支持其提供服務器虛擬化，已經(jīng)出現(xiàn)了很多新的和推薦的協(xié)議。其中有些協(xié)議的目的是希望通過創(chuàng)建多個可共享同一物理基礎設施的虛擬以太網(wǎng)來實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬化，其共享方式有些類似于多個虛擬機共享同一臺物理服務器。

適用于網(wǎng)絡虛擬化的大部分協(xié)議基本上都是利用封裝和隧道技術來創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡覆蓋的。其中業(yè)界討論最多的協(xié)議包括VXLAN、NVGRE、STT和SPB MAC-in-MAC。SPB已是IEEE標準，而在有可能成為IETF標準的各種協(xié)議中，最有可能成為標準的是VXLAN。

傳統(tǒng)意義的網(wǎng)絡虛擬化

網(wǎng)絡實體的一對多虛擬化并不是什么新概念。最常見的例子就是VLAN和VRF(虛擬路由與轉發(fā))。

VLAN可將網(wǎng)絡劃分為最多4094個廣播域，在以太網(wǎng)報頭中為每個廣播域指定一個12位的VLAN ID。VLAN是在共享同一個包交換LAN基礎設施中隔離不同類型流量的一種很方便的方法。

數(shù)據(jù)中心在大量使用著服務器虛擬化，而VLAN數(shù)量上的限制可能產生問題，尤其當大量的租戶需要獲得支持，每個租戶都需要多個VLAN的時候。借助802.1Q的trunk鏈路可在數(shù)據(jù)中心內部擴展VLAN以便支持VM(虛擬機)的移動性，但這樣會增加運營成本和復雜程度。即便在基于2層的服務器-服務器連接的數(shù)據(jù)中心里，大量的VM每個都有自己的MAC地址，也會給2層交換機的轉發(fā)表功能帶來負擔。

VRF是3層網(wǎng)絡虛擬化的一種，其中的物理路由器支持多個虛擬路由器實例，每個實例都運行自己的路由協(xié)議實例，維護自己的轉發(fā)表。

和VLAN不同，VRF不會在報頭中使用標簽為每個分組指定具體的VRF。在每一跳都會根據(jù)輸入接口和幀的信息獲得適當?shù)腣RF。另外一個要求是，在數(shù)據(jù)包經(jīng)過的端到端路徑中的每一個中轉路由器都需要配置一個VRF實例，以便能夠轉發(fā)該數(shù)據(jù)包。

利用覆蓋的網(wǎng)絡虛擬化

由于傳統(tǒng)VLAN或VRF模式存在缺陷，于是開始涌現(xiàn)出眾多創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡的新技術。其中大多數(shù)都是采用封裝和隧道技術，在同一個物理網(wǎng)絡上通過覆蓋來構建多個虛擬網(wǎng)絡拓撲。

一個虛擬網(wǎng)絡可以是2層的或3層的網(wǎng)絡，而物理網(wǎng)絡可以是2層的、3層的，或者兩者結合的網(wǎng)絡，這要取決于采用了何種覆蓋技術。利用覆蓋技術，外層(封裝)報頭包含一個24位長的域，攜帶一個虛擬網(wǎng)絡實例ID(VNID)，給要轉發(fā)的數(shù)據(jù)包專門指定一個虛擬網(wǎng)絡。

虛擬網(wǎng)絡的覆蓋可提供眾多的好處，包括：

● 可支持基本上沒有數(shù)量限制的虛擬網(wǎng)絡;例如24位報頭可創(chuàng)建高達1600萬個虛擬網(wǎng)絡。

● 可解耦虛擬網(wǎng)絡拓撲、服務類別(L2或L3)和物理網(wǎng)絡尋址。這種解耦可避免出現(xiàn)諸如物理交換機上MAC表過大的問題。

● 支持虛擬機的遷移與物理網(wǎng)絡的無關性。如果一個VM要改變位置，甚至遷移到新的子網(wǎng)，在覆蓋邊緣的交換機只須更新其映射表便可反映出這個VM的新位置。新的VM的網(wǎng)絡完全可在網(wǎng)絡邊緣進行預配置。

● 管理多個租戶間相互覆蓋IP地址的能力。

● 在虛擬網(wǎng)絡中支持多路徑轉發(fā)。

各種覆蓋協(xié)議之間的主要差異在于其封裝格式和控制平面的功能性，即允許入口(封裝)設備將一個幀映射到適當?shù)某隹?拆裝)設備。

VXLAN

虛擬可擴展LAN(VXLAN)是在一個3層網(wǎng)絡上借助MAC-in-UDP封裝，疊加一個2層網(wǎng)絡來實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬的。VXLAN網(wǎng)段是一個3層構建，可替代VLAN為數(shù)據(jù)中心的VM生成LAN網(wǎng)段。

因此，一個VM只能在一個VXLAN段內通信或遷移。該VXLAN段有一個24位的VXLAN網(wǎng)絡標識符。VXLAN對VM來說是透明的，仍可使用MAC地址來通信。VXLAN封裝借助所謂VXLAN隧道端點(VTEP)來完成，該端點一般是通過一臺hypervisor交換機或物理接入交換機來提供的。

VXLAN封裝允許2層與任何端點進行通信，只要該端點在同一個VXLAN網(wǎng)段內即可，即便這些端點是在不同的IP子網(wǎng)內也沒有關系。這可以讓VM的實時遷移越出3層邊界。因為MAC幀是在IP包內封裝的，因此對個別的2層交換機來說是無需知道MAC地址的。

這樣做可以減輕交換機出現(xiàn)MAC地址表的硬件容量問題。覆蓋的IP和MAC地址可由VXLAN ID來處理，這個VXLAN ID就像是特定VXLAN網(wǎng)段的限定符/標識符，在這一網(wǎng)段內，IP和MAC地址都是有效的。這種VXLAN控制解決方案是使用基于任意源組播(ASM)的泛紅來傳播端系統(tǒng)位置信息的。

如上所述，VXLAN采用的是MAC-in-UDP封裝。這么做的理由之一是現(xiàn)代的3層設備可解析5元組(包括4層的源和目的端口)。VXLAN雖然采用了清晰明確的目的UDP端口，但源UDP端口卻可以是任何值。因此一個VTEP便可從跨很多UDP源端口的單一VM上傳播所有的流。這樣便允許中轉的3層交換機在僅有的兩個VM之間充分利用多路徑，甚至是多流的優(yōu)勢。

在一個VXLAN覆蓋網(wǎng)絡上，如果VXLAN節(jié)點需要和網(wǎng)絡的傳統(tǒng)網(wǎng)段(例如VLAN)中的節(jié)點通信，可以用一個VXLAN網(wǎng)關來執(zhí)行要求的隧道終端功能，包括封裝/拆裝。該網(wǎng)關的功能可利用硬件或軟件來實現(xiàn)。

VXLAN是IETF標準草案的一個子集，支持廠商有VMware、思科、Arista網(wǎng)絡、博科、紅帽和Citrix。IBM也支持VXLAN。在hypervisor vSwitch和物理交換機上實現(xiàn)這個預標準的現(xiàn)象已開始出現(xiàn)。

NVGRE

采用通用路由封裝的網(wǎng)絡虛擬化(NVGRE)用的是RFC 2784和RFC 2890所定義的GRE隧道協(xié)議。NVGRE在很多方面和VXLAN相似，只有兩處例外。雖然GRE封裝不是什么新概念，但大多數(shù)網(wǎng)絡設備卻不會去解析硬件的GRE報頭，因為這樣做可能影響性能，在多路徑數(shù)據(jù)中心LAN中解析流量分發(fā)的5元組哈希表也可能產生問題。

另一個例外是現(xiàn)有的IETF NVGRE標準草案并沒有為前面在講述一般的網(wǎng)絡覆蓋時所提到的控制平面功能指定一種解決方案，這可能得留待未來的草案去解決，或者留待SDN控制器去解決。

支持NVGRE的一些廠商(例如微軟和Emulex)認為，某些性能問題可通過智能網(wǎng)卡來解決，即用智能網(wǎng)卡卸載hypervisor vSwitch上的NVGRE端點處理。智能網(wǎng)卡還擁有與覆蓋控制器和hypervisor管理系統(tǒng)集成的API。Emulex還演示過可卸載VMware分布式交換機的VXLAN處理的智能網(wǎng)卡。