關(guān)于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的完備指南

針對(duì)如何優(yōu)化數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)，支持其提供服務(wù)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(guò)創(chuàng)建多個(gè)可共享同一物理基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，其共享方式有些類似于多個(gè)虛擬機(jī)共享同一臺(tái)物理服務(wù)器。

適用于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的大部分協(xié)議基本上都是利用封裝和隧道技術(shù)來(lái)創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)，而在有可能成為IETF標(biāo)準(zhǔn)的各種協(xié)議中，最有可能成為標(biāo)準(zhǔn)的是VXLAN。

傳統(tǒng)意義的網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的一對(duì)多虛擬化并不是什么新概念。最常見(jiàn)的例子就是VLAN和VRF(虛擬路由與轉(zhuǎn)發(fā))。

VLAN可將網(wǎng)絡(luò)劃分為最多4094個(gè)廣播域，在以太網(wǎng)報(bào)頭中為每個(gè)廣播域指定一個(gè)12位的VLAN ID。VLAN是在共享同一個(gè)包交換LAN基礎(chǔ)設(shè)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(wù)器虛擬化，而VLAN數(shù)量上的限制可能產(chǎn)生問(wèn)題，尤其當(dāng)大量的租戶需要獲得支持，每個(gè)租戶都需要多個(gè)VLAN的時(shí)候。借助802.1Q的trunk鏈路可在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部擴(kuò)展VLAN以便支持VM(虛擬機(jī))的移動(dòng)性，但這樣會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本和復(fù)雜程度。即便在基于2層的服務(wù)器-服務(wù)器連接的數(shù)據(jù)中心里，大量的VM每個(gè)都有自己的MAC地址，也會(huì)給2層交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表功能帶來(lái)負(fù)擔(dān)。

VRF是3層網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種，其中的物理路由器支持多個(gè)虛擬路由器實(shí)例，每個(gè)實(shí)例都運(yùn)行自己的路由協(xié)議實(shí)例，維護(hù)自己的轉(zhuǎn)發(fā)表。

和VLAN不同，VRF不會(huì)在報(bào)頭中使用標(biāo)簽為每個(gè)分組指定具體的VRF。在每一跳都會(huì)根據(jù)輸入接口和幀的信息獲得適當(dāng)?shù)腣RF。另外一個(gè)要求是，在數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)的端到端路徑中的每一個(gè)中轉(zhuǎn)路由器都需要配置一個(gè)VRF實(shí)例，以便能夠轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包。

利用覆蓋的網(wǎng)絡(luò)虛擬化

由于傳統(tǒng)VLAN或VRF模式存在缺陷，于是開(kāi)始涌現(xiàn)出眾多創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)。其中大多數(shù)都是采用封裝和隧道技術(shù)，在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上通過(guò)覆蓋來(lái)構(gòu)建多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)可以是2層的或3層的網(wǎng)絡(luò)，而物理網(wǎng)絡(luò)可以是2層的、3層的，或者兩者結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，這要取決于采用了何種覆蓋技術(shù)。利用覆蓋技術(shù)，外層(封裝)報(bào)頭包含一個(gè)24位長(zhǎng)的域，攜帶一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)例ID(VNID)，給要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包專門(mén)指定一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)。

虛擬網(wǎng)絡(luò)的覆蓋可提供眾多的好處，包括：

● 可支持基本上沒(méi)有數(shù)量限制的虛擬網(wǎng)絡(luò);例如24位報(bào)頭可創(chuàng)建高達(dá)1600萬(wàn)個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)。

● 可解耦虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、服?wù)類別(L2或L3)和物理網(wǎng)絡(luò)尋址。這種解耦可避免出現(xiàn)諸如物理交換機(jī)上MAC表過(guò)大的問(wèn)題。

● 支持虛擬機(jī)的遷移與物理網(wǎng)絡(luò)的無(wú)關(guān)性。如果一個(gè)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(jī)只須更新其映射表便可反映出這個(gè)VM的新位置。新的VM的網(wǎng)絡(luò)完全可在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行預(yù)配置。

● 管理多個(gè)租戶間相互覆蓋IP地址的能力。

● 在虛擬網(wǎng)絡(luò)中支持多路徑轉(zhuǎn)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(shè)備將一個(gè)幀映射到適當(dāng)?shù)某隹?拆裝)設(shè)備。

VXLAN

虛擬可擴(kuò)展LAN(VXLAN)是在一個(gè)3層網(wǎng)絡(luò)上借助MAC-in-UDP封裝，疊加一個(gè)2層網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬的。VXLAN網(wǎng)段是一個(gè)3層構(gòu)建，可替代VLAN為數(shù)據(jù)中心的VM生成LAN網(wǎng)段。

因此，一個(gè)VM只能在一個(gè)VXLAN段內(nèi)通信或遷移。該VXLAN段有一個(gè)24位的VXLAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符。VXLAN對(duì)VM來(lái)說(shuō)是透明的，仍可使用MAC地址來(lái)通信。VXLAN封裝借助所謂VXLAN隧道端點(diǎn)(VTEP)來(lái)完成，該端點(diǎn)一般是通過(guò)一臺(tái)hypervisor交換機(jī)或物理接入交換機(jī)來(lái)提供的。

VXLAN封裝允許2層與任何端點(diǎn)進(jìn)行通信，只要該端點(diǎn)在同一個(gè)VXLAN網(wǎng)段內(nèi)即可，即便這些端點(diǎn)是在不同的IP子網(wǎng)內(nèi)也沒(méi)有關(guān)系。這可以讓VM的實(shí)時(shí)遷移越出3層邊界。因?yàn)镸AC幀是在IP包內(nèi)封裝的，因此對(duì)個(gè)別的2層交換機(jī)來(lái)說(shuō)是無(wú)需知道MAC地址的。

這樣做可以減輕交換機(jī)出現(xiàn)MAC地址表的硬件容量問(wèn)題。覆蓋的IP和MAC地址可由VXLAN ID來(lái)處理，這個(gè)VXLAN ID就像是特定VXLAN網(wǎng)段的限定符/標(biāo)識(shí)符，在這一網(wǎng)段內(nèi)，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(lái)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(shè)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(gè)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(zhuǎn)的3層交換機(jī)在僅有的兩個(gè)VM之間充分利用多路徑，甚至是多流的優(yōu)勢(shì)。

在一個(gè)VXLAN覆蓋網(wǎng)絡(luò)上，如果VXLAN節(jié)點(diǎn)需要和網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)網(wǎng)段(例如VLAN)中的節(jié)點(diǎn)通信，可以用一個(gè)VXLAN網(wǎng)關(guān)來(lái)執(zhí)行要求的隧道終端功能，包括封裝/拆裝。該網(wǎng)關(guān)的功能可利用硬件或軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

VXLAN是IETF標(biāo)準(zhǔn)草案的一個(gè)子集，支持廠商有VMware、思科、Arista網(wǎng)絡(luò)、博科、紅帽和Citrix。IBM也支持VXLAN。在hypervisor vSwitch和物理交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)這個(gè)預(yù)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象已開(kāi)始出現(xiàn)。

NVGRE

采用通用路由封裝的網(wǎng)絡(luò)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(luò)設(shè)備卻不會(huì)去解析硬件的GRE報(bào)頭，因?yàn)檫@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(chǎn)生問(wèn)題。

另一個(gè)例外是現(xiàn)有的IETF NVGRE標(biāo)準(zhǔn)草案并沒(méi)有為前面在講述一般的網(wǎng)絡(luò)覆蓋時(shí)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(lái)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(rèn)為，某些性能問(wèn)題可通過(guò)智能網(wǎng)卡來(lái)解決，即用智能網(wǎng)卡卸載hypervisor vSwitch上的NVGRE端點(diǎn)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(guò)可卸載VMware分布式交換機(jī)的VXLAN處理的智能網(wǎng)卡。