什么是VXLAN 三层网络搭建二层网络的设计方案
一、vxlan概述
1. 什么是 vxlan
vxlan(virtual extensible lan)虚拟可扩展局域网，是一种 overlay 网络技术，将原始2层以太网帧进行udp封装 (mac-in-udp)，增加8字节 vxlan头部，8字节 udp头部， 20字节 ip 头部和14字节以太网头部，共50字节。
2. vxlan优点
vxlan与vlan相比能够提供更好的扩展性和灵活性，主要有以下特点：
应用灵活部署： 通过vxlan封装后的2层以太网帧可以跨3层网络边界，让组网以及应用部署变得更加灵活，同时解决多租户网络环境中ip地址冲突问题。
更好的扩展性： 传统 vlanid字段为12-bit，vlan数量最大为4096;vxlan使用24-bit vnid (vxlan network identifier)，最大支持 16,000,000 逻辑网络。
提高网络利用率： 传统以太网使用 stp预防环路， stp导致网络冗余路径处于阻塞状态， vxlan报文基于 3层 ip报头传输，能有效利用网络路径，支持 ecmp(equal-cost multipath )和链路聚合协议。
(1) 应用灵活部署
如图 1-1 所示，在 vxlan环境中应用部署不受物理位置和3层网络边界限制，例如某应用的地址段为 192.168.1.0/24，在传统网络中所有该应用服务器或者虚拟机必须在同一 3层网络内部署，否则会产生路由或者地址冲突问题。
(2) 更好的扩展性
传统网络通过 vlan将客户网络逻辑隔离， vlan id字段为 12-bit ，vlan数量最大为 4096;vxlan使用 24-bit vnid ( vxlan network identifier )，最大支持16,000,000 逻辑网络，扩展性得到极大增强。
(3) 提高网络利用率
图 1-3 使用 vxlan 后使用三层接口互联消除生成树阻塞端口
传统以太网帧无法穿越三层网络，部署 vxlan后， vtep之间数据基于三层寻址，网络互联接口不再是二层接口， 可以将交换机之间互联接口部署为三层模式，消除生成树阻塞端口，提高网络利用率，支持 ecmp(equal-cost multipath )和链路聚合协议。
二、vxlan术语
1. vtep
vxlan
tunnel endpoint (vtep)。vxlan使用vtep设备对vxlan报文进行封装与解封装，包括arp请求报文和正常的vxlan数据报文，vtep将原始以太网帧通过vxlan封装后发送至对端 vtep设备，对端vtep接收到 vxlan报文后解封装然后根据原始 mac进行转发，vtep可以是物理交换机、物理服务器或者其他支持 vxlan的硬件设备或软件来实现。
2. vni
virtual network id ( vni)， vni封装在 vxlan头部，共 24-bit ，最大支持16,000,000 逻辑网络。
3. vxlan 网关
vxlan网关用于连接 vxlan网络和传统 vlan网络，vxlan网关实现 vni和vlan id 之间的映射， vxlan 网关实际上也是一台 vtep设备。
4. 组播组
vtep设备要加入相同的组播组，主要用于控制平面地址学习。
三、vxlan封装
vxlan使用 udp封装完整的以太网帧 (mac-in-udp)，共 50 字节的封装报文头。具体的报文格式如下：
1. inner mac
inner mac，内层 mac是原始以太网帧的 mac地址。
2. vxlan header
共 8 个字节，目前使用的是 flags 中的一个 8bit 的标识位和 24bit 的vni(vxlan network identifier) ，其余部分没有定义，但是在使用的时候必须设置为 0x0000。
3. outer udp header
共8个字节，iana分配的标准目的端口使用 4798，但是各厂商可以根据需要进行修改，同时udp的校验和必须设置成全 0。
4. outer ip header
共20个字节，目的ip地址可以是单播地址，也可以是多播地址。 单播情况下，目的ip地址是目的vtep的 ip地址;当用于vxlan控制平面时会使用多播地址。
outer ip: 外层ip地址是经过vtep封装后的3层ip地址，源ip是本端vtep设备ip，用于控制平面时目的 ip 可以是多播地址，用于转发平面时目的 ip是远端 vtep设备 ip。
5. outer ethernet header
共计14个字节，外层以太网帧头部。outer mac，外层 mac是经过 vtep封装后的二层 mac，源 mac是本端 vtep设备mac，目的 mac可以是远端 vtep设备mac或者传输路径中间 3 层网络设备 mac。
四、vxlan数据转发
1. 控制平面
在 vxlan的实现中， 当通过组播实现控制平面路径发现时， vtep设备之间使用无状态 tunnel ，vtep设备之间不会维持状态化的长连接。 vxlan需要通过控制平面学习远端设备地址信息， 在本地构建控制平面表项。 控制平面表项由 vni、inner source mac 、outer source ip 三元组组成。
2. 转发平面
控制平面学习地址映射信息后， 转发平面负责实际数据的转发。 vtep为原始数据帧增加 udp报头，新的报头到达目的 vtep后才会被去掉，中间路径的网络设备只会根据外层包头内的目的地址进行数据转发。
3. vxlan arp请求
如上图所示，终端设备 a需要和终端设备 b通信， arp请求过程如下：
终端设备 a 发送 arp请求，请求终端设备 b 的 mac地址;
vtep-1收到终端设备 a发送的 arp请求，此时 vtep-1还没有终端设备 b对应的地址映射表项， vtep-1将 arp请求进行 vxlan封装， vni 设置为10，outer-src-ip 是 vtep-1的 ip ，outer-dst-ip 是加入的组播组地址，封装完成后转发至 vxlan组播组;
vtep-2、vtep3加入相同的组播组，所有组成员都会收到 vtep-1发送的组播报文，解封装后检查 vni 与本地 vni 是否匹配，如匹配将 arp请求发送至本地网络，同时记录 vni、inner mac、outer ip 的对应关系，构建控制平面地址映射表项。如 vni 不匹配则丢弃数据包。
终端设备 b 收到 arp请求后以单播方式发送 arp响应;
vtep-2收到终端设备 b 的 arp响应后进行 vxlan封装，此时 vtep-2已经构建控制平面地址映射表项，通过 vxlan封装后以单播方式发送。outer-src-ip 是 vtep-2的 ip 地址，outer-dst-ip 是 vtep-1的 ip 地址;
vtep-1收到封装后的 arp响应后，解封装比对 vni，如匹配将 arp响应发送至终端设备 a，同时记录 vni、inner mac、 outer ip 的对应关系，构建控制平面表项;
此时 vtep-1、vtep-2均已成功构建控制平面地址映射信息，后续 vxlan数据使用单播在 vtep-1和 vtep-2之间传输。
4. vxlan 数据传输
arp请求完成后，终端设备 a 向终端设备 b 发送数据， vtep-1收到数据中查找地址映射表项，将原始数据进行 vxlan封装后转发至 vtep-2;
vtep-2收到 vxlan数据包后检查 vni 是否与本地 vni 匹配， 如匹配则解封装后将原始以太网帧转发至终端设备 b。
五、vxlan部署
六、补充：
在进行 arp处理时，为了将广播通过多播进行传输，必须要设置vni 到多播组的映射，这种映射属于管理层，用于建立vtep之间的管理通道。未知的目的 mac(unknown mac destination )同样会进行组播封装，处理方式和广播相同。
vxlan报文不能进行分片处理，中间的设备可能会将 vxlan报文分片，但是vtep会将分片后的报文丢弃，为了确保 vxlan报文不被分片处理，需要修改沿途所以设备的 mtu。rfc文档没有阐述为什么 vtep必须丢弃分片后的报文。
在封装和解封装时 vlan tag信息都会被剥离，除非另有特殊配置。
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1. 什么是 vxlan
vxlan(virtual extensible lan)虚拟可扩展局域网，是一种 overlay 网络技术，将原始2层以太网帧进行udp封装 (mac-in-udp)，增加8字节 vxlan头部，8字节 udp头部， 20字节 ip 头部和14字节以太网头部，共50字节。
2. vxlan优点
vxlan与vlan相比能够提供更好的扩展性和灵活性，主要有以下特点：
应用灵活部署： 通过vxlan封装后的2层以太网帧可以跨3层网络边界，让组网以及应用部署变得更加灵活，同时解决多租户网络环境中ip地址冲突问题。
更好的扩展性： 传统 vlanid字段为12-bit，vlan数量最大为4096;vxlan使用24-bit vnid (vxlan network identifier)，最大支持 16,000,000 逻辑网络。
提高网络利用率： 传统以太网使用 stp预防环路， stp导致网络冗余路径处于阻塞状态， vxlan报文基于 3层 ip报头传输，能有效利用网络路径，支持 ecmp(equal-cost multipath )和链路聚合协议。
(1) 应用灵活部署
如图 1-1 所示，在 vxlan环境中应用部署不受物理位置和3层网络边界限制，例如某应用的地址段为 192.168.1.0/24，在传统网络中所有该应用服务器或者虚拟机必须在同一 3层网络内部署，否则会产生路由或者地址冲突问题。
(2) 更好的扩展性
传统网络通过 vlan将客户网络逻辑隔离， vlan id字段为 12-bit ，vlan数量最大为 4096;vxlan使用 24-bit vnid ( vxlan network identifier )，最大支持16,000,000 逻辑网络，扩展性得到极大增强。
(3) 提高网络利用率
图 1-3 使用 vxlan 后使用三层接口互联消除生成树阻塞端口
传统以太网帧无法穿越三层网络，部署 vxlan后， vtep之间数据基于三层寻址，网络互联接口不再是二层接口， 可以将交换机之间互联接口部署为三层模式，消除生成树阻塞端口，提高网络利用率，支持 ecmp(equal-cost multipath )和链路聚合协议。
二、vxlan术语
1. vtep
vxlan
tunnel endpoint (vtep)。vxlan使用vtep设备对vxlan报文进行封装与解封装，包括arp请求报文和正常的vxlan数据报文，vtep将原始以太网帧通过vxlan封装后发送至对端 vtep设备，对端vtep接收到 vxlan报文后解封装然后根据原始 mac进行转发，vtep可以是物理交换机、物理服务器或者其他支持 vxlan的硬件设备或软件来实现。
2. vni
virtual network id ( vni)， vni封装在 vxlan头部，共 24-bit ，最大支持16,000,000 逻辑网络。
3. vxlan 网关
vxlan网关用于连接 vxlan网络和传统 vlan网络，vxlan网关实现 vni和vlan id 之间的映射， vxlan 网关实际上也是一台 vtep设备。
4. 组播组
vtep设备要加入相同的组播组，主要用于控制平面地址学习。
三、vxlan封装
vxlan使用 udp封装完整的以太网帧 (mac-in-udp)，共 50 字节的封装报文头。具体的报文格式如下：
1. inner mac
inner mac，内层 mac是原始以太网帧的 mac地址。
2. vxlan header
共 8 个字节，目前使用的是 flags 中的一个 8bit 的标识位和 24bit 的vni(vxlan network identifier) ，其余部分没有定义，但是在使用的时候必须设置为 0x0000。
3. outer udp header
共8个字节，iana分配的标准目的端口使用 4798，但是各厂商可以根据需要进行修改，同时udp的校验和必须设置成全 0。
4. outer ip header
共20个字节，目的ip地址可以是单播地址，也可以是多播地址。 单播情况下，目的ip地址是目的vtep的 ip地址;当用于vxlan控制平面时会使用多播地址。
outer ip: 外层ip地址是经过vtep封装后的3层ip地址，源ip是本端vtep设备ip，用于控制平面时目的 ip 可以是多播地址，用于转发平面时目的 ip是远端 vtep设备 ip。
5. outer ethernet header
共计14个字节，外层以太网帧头部。outer mac，外层 mac是经过 vtep封装后的二层 mac，源 mac是本端 vtep设备mac，目的 mac可以是远端 vtep设备mac或者传输路径中间 3 层网络设备 mac。
四、vxlan数据转发
1. 控制平面
在 vxlan的实现中， 当通过组播实现控制平面路径发现时， vtep设备之间使用无状态 tunnel ，vtep设备之间不会维持状态化的长连接。 vxlan需要通过控制平面学习远端设备地址信息， 在本地构建控制平面表项。 控制平面表项由 vni、inner source mac 、outer source ip 三元组组成。
2. 转发平面
控制平面学习地址映射信息后， 转发平面负责实际数据的转发。 vtep为原始数据帧增加 udp报头，新的报头到达目的 vtep后才会被去掉，中间路径的网络设备只会根据外层包头内的目的地址进行数据转发。
3. vxlan arp请求
如上图所示，终端设备 a需要和终端设备 b通信， arp请求过程如下：
终端设备 a 发送 arp请求，请求终端设备 b 的 mac地址;
vtep-1收到终端设备 a发送的 arp请求，此时 vtep-1还没有终端设备 b对应的地址映射表项， vtep-1将 arp请求进行 vxlan封装， vni 设置为10，outer-src-ip 是 vtep-1的 ip ，outer-dst-ip 是加入的组播组地址，封装完成后转发至 vxlan组播组;
vtep-2、vtep3加入相同的组播组，所有组成员都会收到 vtep-1发送的组播报文，解封装后检查 vni 与本地 vni 是否匹配，如匹配将 arp请求发送至本地网络，同时记录 vni、inner mac、outer ip 的对应关系，构建控制平面地址映射表项。如 vni 不匹配则丢弃数据包。
终端设备 b 收到 arp请求后以单播方式发送 arp响应;
vtep-2收到终端设备 b 的 arp响应后进行 vxlan封装，此时 vtep-2已经构建控制平面地址映射表项，通过 vxlan封装后以单播方式发送。outer-src-ip 是 vtep-2的 ip 地址，outer-dst-ip 是 vtep-1的 ip 地址;
vtep-1收到封装后的 arp响应后，解封装比对 vni，如匹配将 arp响应发送至终端设备 a，同时记录 vni、inner mac、 outer ip 的对应关系，构建控制平面表项;
此时 vtep-1、vtep-2均已成功构建控制平面地址映射信息，后续 vxlan数据使用单播在 vtep-1和 vtep-2之间传输。
4. vxlan 数据传输
arp请求完成后，终端设备 a 向终端设备 b 发送数据， vtep-1收到数据中查找地址映射表项，将原始数据进行 vxlan封装后转发至 vtep-2;
vtep-2收到 vxlan数据包后检查 vni 是否与本地 vni 匹配， 如匹配则解封装后将原始以太网帧转发至终端设备 b。
五、vxlan部署
六、补充：
在进行 arp处理时，为了将广播通过多播进行传输，必须要设置vni 到多播组的映射，这种映射属于管理层，用于建立vtep之间的管理通道。未知的目的 mac(unknown mac destination )同样会进行组播封装，处理方式和广播相同。
vxlan报文不能进行分片处理，中间的设备可能会将 vxlan报文分片，但是vtep会将分片后的报文丢弃，为了确保 vxlan报文不被分片处理，需要修改沿途所以设备的 mtu。rfc文档没有阐述为什么 vtep必须丢弃分片后的报文。
在封装和解封装时 vlan tag信息都会被剥离，除非另有特殊配置。
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