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2025-05-13
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VXLAN

文章：https://support.huawei.com/enterprise/zh/doc/EDOC1100218020/f95c6e68

# 一、为什么会有 VXLAN？

VXLAN（Virtual Extensible LAN，虚拟可扩展局域网）的出现是为了解决传统 VLAN 技术在现代云计算和数据中心环境中的局限性，主要包括以下问题：

  1. VLAN ID 数量限制

    • VLAN 的标识符范围为 1~4094，无法满足大规模云平台多租户隔离需求（如公有云可能需要数万甚至百万级租户）。

  2. 二层网络扩展性不足

    • VLAN 基于二层网络（数据链路层），广播域受限于物理网络规模，跨三层网络（如跨数据中心）时无法直接扩展。

  3. 租户网络隔离与灵活性

    • 传统 VLAN 难以支持复杂的多租户网络叠加（Overlay）需求，例如跨物理网络构建逻辑隔离的虚拟网络。

  4. 虚拟机迁移限制

    • 虚拟机（VM）迁移时需保持 IP 和网络配置不变，但传统 VLAN 无法跨三层网络实现无缝迁移。

# 二、VXLAN 是什么？

VXLAN 是一种网络虚拟化技术，通过 隧道封装（Tunneling） 在现有三层网络（如 IP 网络）上构建虚拟的二层网络，核心特点包括：

  • 大范围标识：使用 24 位的 VXLAN 网络标识符（VNI），支持 1600 万（2^24）个逻辑网络。
  • 跨三层扩展：基于 UDP 封装，突破物理二层网络限制，实现跨数据中心、跨广域网的虚拟网络。
  • 多租户隔离：不同 VNI 的流量完全隔离，适用于云计算多租户场景。

类比：

  • VLAN 是“物理局域网内的虚拟分房间”，而 VXLAN 是“用快递箱（隧道）在全球物流网（IP 网络）中运输整个房间的物品”。

# 三、VXLAN 与 VLAN 的区别

特性 VLAN VXLAN
标识符范围 12 位（1~4094） 24 位（16,777,216 个 VNI）
工作层级 数据链路层（Layer 2） 基于 UDP 的三层网络（Layer 3）
扩展性 受限于物理网络规模 支持跨数据中心、广域网扩展
广播域控制 同一 VLAN 内广播 通过组播或单播复制实现广播
应用场景 传统企业内网 云计算、虚拟化、多租户数据中心
封装方式 802.1Q 标签（4 字节） VXLAN 头部 + UDP 封装（50 字节）
设备依赖 二层交换机 VTEP（VXLAN Tunnel Endpoint）

# 四、VXLAN 的原理

# 1. 核心组件

  • VTEP（VXLAN Tunnel Endpoint）

    • 负责封装和解封装 VXLAN 流量的设备（如物理交换机、虚拟交换机或服务器网卡）。
    • 每个 VTEP 至少有一个 IP 地址，用于在底层 IP 网络中通信。

  • VNI（VXLAN Network Identifier）

    • 24 位标识符，用于区分不同的虚拟网络（类似 VLAN ID）。

# 2. 数据封装流程

  1. 原始帧处理

    • 当虚拟机发送以太网帧时，源 VTEP 根据目标 MAC 地址判断是否需要跨 VXLAN 传输。

  2. VXLAN 封装

    • 外层 UDP 头：源端口随机生成，目的端口固定为 4789（IANA 标准）。
    • 外层 IP 头：源 IP 为本地 VTEP IP，目的 IP 为远端 VTEP IP。
    • VXLAN 头部：包含 24 位 VNI，标志位等。
    • img

  3. 传输与解封装

    • 封装后的报文通过底层 IP 网络传输到目标 VTEP。
    • 目标 VTEP 剥离外层头部，根据 VNI 将原始帧转发到对应虚拟机。

# 3. 控制平面

  • MAC 地址学习：

    • 传统方式依赖数据平面的泛洪学习，可能通过 组播（Multicast） 实现。
    • 现代方案使用 集中式控制平面（如 SDN 控制器） 或 BGP EVPN 分发 VTEP 和 MAC 地址信息。

  • ARP 优化：

    • 通过 ARP 代理 或 分布式网关 减少广播流量。

# 4. 典型组网场景

  • 同数据中心互通：
    • 同一 VNI 的虚拟机通过 VTEP 通信，流量在 IP 网络内隧道传输。
  • 跨数据中心互通：
    • 不同数据中心的 VTEP 建立隧道，实现虚拟机跨广域网迁移。

# 五、VXLAN 的优缺点

# 优点

  • 大规模扩展：支持超大规模多租户网络。
  • 灵活组网：摆脱物理网络拓扑限制，实现逻辑网络任意编排。
  • 兼容现有网络：基于 IP 网络构建，无需改造底层设施。

# 缺点

  • 封装开销：每个帧增加约 50 字节头部，可能影响小包传输性能。
  • 配置复杂度：依赖 VTEP 和集中式控制平面（如 SDN 控制器）。

# 六、VXLAN 的应用场景

  1. 云计算多租户网络
    • 公有云中为每个租户分配独立的 VNI，实现网络隔离。
  2. 容器网络
    • 为 Kubernetes 集群中的每个 Pod 提供跨主机的二层连通性。
  3. 虚拟机动态迁移
    • 保持虚拟机 IP 不变，跨数据中心迁移业务。
  4. 混合云组网
    • 通过 VXLAN 隧道连接公有云与私有云资源。

# 总结

VXLAN 通过 逻辑网络叠加（Overlay） 和 大规模虚拟化 解决了传统 VLAN 的扩展性难题，成为现代云计算和数据中心网络的核心技术。其核心价值在于：

  • 突破物理限制：用 IP 网络承载虚拟二层网络。
  • 支持超大规模多租户：24 位 VNI 满足海量隔离需求。
  • 无缝集成 SDN：与软件定义网络结合，实现灵活策略控制。

# 一、VXLAN 与 VPC 的关系

VXLAN（虚拟可扩展局域网）和 VPC（虚拟私有云）是现代云计算和网络虚拟化中的关键技术，二者在功能和应用场景上存在协同关系：

# 1. VXLAN 作为 VPC 的底层技术

  • VPC 的网络隔离需求：
    VPC 需要为每个租户提供逻辑隔离的私有网络环境，而 VXLAN 的大规模虚拟网络能力（支持 1600 万 VNI） 天然适合实现多租户隔离。
  • 跨区域扩展：
    VPC 需要跨可用区（AZ）或跨数据中心互联，VXLAN 的 三层 Overlay 网络特性 能够通过 IP 网络实现跨地域的二层网络扩展，支撑 VPC 的弹性架构。
  • 示例：
    公有云（如 AWS、阿里云）可能使用 VXLAN 技术构建 VPC 的底层网络，通过 VNI 区分不同租户的流量，同时利用 VTEP 实现跨物理服务器的虚拟网络通信。

# 2. VPC 作为 VXLAN 的应用场景

  • VPC 的虚拟网络架构：
    VPC 中的子网、路由表、安全组等功能需要底层网络支持灵活的逻辑划分和流量控制，VXLAN 的 逻辑网络叠加（Overlay） 和 集中式控制平面（如 SDN）可高效实现这些需求。
  • 混合云与多租户：
    VPC 通过 VXLAN 隧道与本地数据中心或其他云平台互联，形成混合云架构；同时，不同租户的 VPC 通过不同 VNI 实现隔离。

# 3. 总结关系

  • VXLAN 是网络虚拟化技术，解决二层网络扩展和隔离问题。
  • VPC 是云计算服务，提供完整的网络管理能力（IP 分配、路由、安全等）。
  • VXLAN 支撑 VPC 的实现：
    云服务商通过 VXLAN 构建 VPC 的底层虚拟网络，而 VPC 向用户提供简化的网络配置界面。

# 二、VXLAN 的互通情况与原理

# 1. VXLAN 的互通场景

场景 描述
同一 VNI 内互通 同一 VXLAN 网络（相同 VNI）的终端可直接二层通信，流量通过 VTEP 隧道传输。
不同 VNI 间互通 需通过 三层网关 实现跨 VNI 的路由，类似不同子网间的通信。
VXLAN 与 VLAN 互通 通过 VXLAN 网关 将 VXLAN 流量转换为传统 VLAN 流量，实现混合组网。
跨数据中心互通 不同数据中心的 VTEP 建立隧道，通过广域网传输 VXLAN 封装流量。

# 2. VXLAN 的互通原理

  • 同一 VNI 内的互通

    • 流程：
      1. 虚拟机 VM1（VNI 100）发送数据帧到 VM2（VNI 100）。
      2. 源 VTEP 封装原始帧为 VXLAN 报文（外层目的 IP 为 VM2 所在 VTEP 的 IP）。
      3. 底层 IP 网络将报文传输到目标 VTEP。
      4. 目标 VTEP 解封装，根据 VNI 将原始帧转发给 VM2。
    • 关键点：
      • VTEP 需要学习目标 MAC 地址与远端 VTEP IP 的映射关系（通过控制平面如 BGP EVPN）。

  • 不同 VNI 间的互通

    • 流程：
      1. VM1（VNI 100）发送数据到 VM3（VNI 200）。
      2. 流量被路由到 VXLAN 三层网关（如分布式网关或集中式网关）。
      3. 网关剥离 VXLAN 封装，根据目标 IP 路由到目标 VNI 对应的 VTEP。
      4. 目标 VTEP 重新封装报文并转发给 VM3。
    • 关键点：
      • 需配置网关接口的 IP 地址作为不同 VNI 的默认路由。

  • VXLAN 与 VLAN 互通

    • 流程：
      1. VXLAN 网关接收 VXLAN 封装流量（VNI 100）。
      2. 网关解封装并转换为传统 VLAN 10 的 802.1Q 帧。
      3. 通过物理交换机将流量转发至 VLAN 10 的终端。

# 三、VXLAN 互通的实现方案

# 方案 1：基于 BGP EVPN 的控制平面

  • 原理：
    使用 BGP EVPN（Ethernet VPN） 协议分发 VTEP 的 IP 地址、MAC 地址和 VNI 信息，实现自动化的地址学习和路由。
  • 优势：
    • 避免传统泛洪学习带来的广播风暴。
    • 支持跨数据中心的大规模 VXLAN 网络。
  • 配置示例：
    // VTEP 配置（以 Cisco Nexus 为例）
feature bgp
feature nv overlay
vtep 192.168.1.1
router bgp 65001
  neighbor 192.168.2.1 remote-as 65001
  address-family l2vpn evpn
    send-community extended
    1
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    3
    4
    5
    6
    7
    8

# 方案 2：集中式 SDN 控制器

  • 原理：
    通过 SDN 控制器（如 VMware NSX、OpenStack Neutron）集中管理 VTEP 和 VNI 信息，动态下发流表。
  • 优势：
    • 灵活的策略控制（如安全组、QoS）。
    • 简化网络运维，适合云原生环境。

# 方案 3：分布式网关（Anycast Gateway）

  • 原理：
    在多个 VTEP 上配置相同的网关 IP 地址（Anycast IP），实现流量的本地化路由和负载均衡。
  • 优势：
    • 减少跨设备流量，提升性能。
    • 支持虚拟机迁移时网关 IP 不变。

# 方案 4：VXLAN 与传统 VLAN 互通

  • 原理：
    部署 VXLAN 网关设备（如华为 CE 系列交换机），配置 VLAN 与 VNI 的映射关系。
  • 配置示例：
    // VXLAN 网关配置（华为）
bridge-domain 10
  vlan 10
  vxlan vni 100
interface Vbdif10
  ip address 192.168.10.1 255.255.255.0
    1
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    3
    4
    5
    6

# 四、VXLAN 互通的关键技术总结

技术 作用 适用场景
BGP EVPN 自动化分发 VTEP 和 MAC 信息 大规模跨数据中心 VXLAN
SDN 控制器 集中管理 VXLAN 网络策略 云平台、容器网络
分布式网关 本地化路由，减少跨设备流量 高可用性和低延迟需求
VXLAN-VLAN 网关 实现 VXLAN 与传统网络的互通 混合云或老旧系统集成

# 五、VXLAN 与 VPC 协同的典型架构

  1. 公有云 VPC 架构
    • 每个租户的 VPC 分配独立 VNI，底层通过 VXLAN 实现流量隔离。
    • VPC 的子网对应不同 VXLAN 网段，通过分布式网关实现跨子网路由。
  2. 混合云网络
    • 本地数据中心通过 VXLAN 网关与云上 VPC 互联，形成统一的 Overlay 网络。
  3. 容器网络
    • Kubernetes 集群中，每个 Pod 接入 VXLAN 网络，VPC 提供安全组和负载均衡能力。

# 总结

  • VXLAN 与 VPC 的关系：VXLAN 是 VPC 实现多租户隔离和跨区域组网的底层技术，而 VPC 向用户抽象了复杂的网络配置。
  • VXLAN 互通的核心：依赖控制平面（BGP EVPN/SDN）实现地址学习，通过三层网关或分布式架构解决跨 VNI 通信。
  • 实际应用：在云计算、容器网络和混合云中，VXLAN 与 VPC 共同构建了灵活、可扩展的虚拟化网络基础设施。
上次更新: 2025/05/13, 13:10:35
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