问题描述

虚拟化技术具有降低 IT 成本、提高业务部署灵活性和降低运维成本等优势。越来越多的企业选择在数据中心或园区 IT 设施使用云计算或虚拟化技术。在企业选择虚拟化架构后，业务将以虚拟机方式部署于服务器集群中；

虚拟化对网络的要求

二层扩展：虚拟化 / 云计算集群内允许虚拟机任意迁移，导致相同业务（相同网段）虚拟机可能运行在不同的服务器，或同个虚拟机（一个 IP）先后运行在不同的服务器（物理位置）。物理服务器可能分布在地理位置跨度非常大的机房，因此需要使用三层进行互联。服务器虚拟化后，业务被封装在虚拟机中。虚拟机允许在集群内任意主机中热迁移。热迁移的特性之一是网络状态不改变，这要求在不同的物理位置中虚拟机的 IP 地址保持不变，为此需要大二层网络解决此问题；

多租户相隔离：云化场景一般支持多租户，即不同用户共享物理资源。这对网络提出两个需求，租户间隔离和租户内互访。租户间隔离，即租户可能配置相同的 MAC 和 IP 地址，需要考虑物理网络承载隔离的问题，并且存在海量的用户需要进行隔离。租户内互访，即租户内相同网段能够直接进行二层通信，即便处于不同物理位置的机房中；

传统网络面临的问题

虚拟机规模受设备表项规格限制：服务器虚拟化后，VM 的数量比原有的物理机发生巨大的增长，而接入侧二层设备的 MAC 地址表规格较小，无法满足快速增长的 VM 数量；

网络隔离能力限制：VLAN Tag 仅 12bit；对于大型虚拟化云计算服务的场景而言，租户数目远大于 VLAN 可用个数；传统二层网络的 VLAN 无法满足网络动态调整的需求；

虚拟机迁移范围受限：虚拟机迁移必须发生在同个二层网络中；传统的二层网络，将虚拟机迁移限制在了一个较小的局部范围内；

解决方案

RFC 定义 VLAN 扩展方案 VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟扩展局域网）；

VXLAN 解决传统网络遇到的问题：

虚拟机规模受网络规格限制：
1）VXLAN 将虚拟机发出的数据包封装在 UDP 中，并使用物理网络的 IP、MAC 地址作为外层头进行封装，对网络只表现为封装后的参数；
2）除 VXLAN 网络边缘设备，网络中的其他设备不需要识别虚拟机的 MAC 地址，减轻设备的 MAC-ADDR 学习压力，提升设备性能；

网络隔离能力限制：
1）VXLAN 引入类似 VLAN ID 的用户标识（VNI），由 24bit 组成，支持多达 16M 的 VXLAN 段的网络隔离，对用户进行隔离和标识不再受到限制，可满足海量租户；

虚拟机迁移范围受网络架构限制：
1）对于具有同个网段 IP 地址的 VM 而言，即使其物理位置不在同个二层网络中。但从逻辑上看，相当于处于同个二层域。即 VXLAN 技术在三层网络之上，构建出一个虚拟的大二层网络

原理简述

VXLAN 通过采用 MAC in UDP 封装方式，来延伸二层网络，将 Ethernet Frame 封装在 IP Packet 内，
然后，通过路由在网络中传输，底层网络无需关注虚拟机的 MAC 地址；

特性特征

是 NVO3（Network Virtualization over Layer 3）中的一种网络虚拟化技术；
VXLAN 在本质上属于是种 VPN 技术，能够在任意路由可达的物理网络（Underlay Network）上叠加二层虚拟网络（Overlay Network）；
通过 VXLAN Gateway 间的 VXLAN Tunnel 实现 VXLAN Network 内部的互通，同时亦能实现与传统的非 VXLAN 网络的互通；
且其所利用的三层网络无网络结构限制，具备大规模扩展能力。通过路由网络，数据中心虚拟机迁移不受网络架构限制；

应用场景

数据中心

VXLAN 早已被广泛应用于数据中心网络，数据中心的业务均由 VXLAN 承载。在数据中心中，采用 Spine-Leaf 两层物理架构，结合 VXLAN 应用。Spine 节点执行路由转发，转发时不感知 VXLAN，而 Leaf 节点负责资源接入，完成 VXLAN 封装及解封装；

注意，在 Leaf 间，其并非直连，其为 VXLAN 的终点；

园区网络

随着园区网络的业务需求越来越灵活、园区网络虚拟化的需求及网络自动化的需求越来越强烈，VXLAN 开始进入园区网络，搭配 园区 SDN 控制器 实现更多用户价值；

通过引入虚拟化技术，在园区网络中基于一张物理网络创建多张虚拟网络（VN，Virtual Network），不同的虚拟网络承载于不同的业务（例如办公、视讯、安防等等）使用 VXLAN 实现“一网多用”；

选择 VXLAN 实现园区网络虚拟化的原因：
1）VXLAN 可构建在任意复杂的三层网络之上
2）支持三层虚拟网络
3）搭配 SDN 控制器实现集中部署及自动化，已有成功实践；

注意，VXLAN 更多解决的是数据中心网络中的需求，在传统企业园区网络中使用 VXLAN 更多的是使用其构建虚拟网络，而不是解决所谓的某些急需解决的问题；