VPP学习之配置VXLAN隧道

一、VXLAN技术

VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟扩展局域网），是由IETF定义的NVO3（Network Virtualization over Layer 3）标准技术之一，是对传统VLAN协议的一种扩展。VXLAN的特点是将L2的以太帧封装到UDP报文（即L2 over L4）中，并在L3网络中传输。

主要特征和组成部分包括：

Overlay Network： VXLAN创建了一个逻辑上的覆盖网络，允许在底层物理网络之上构建虚拟网络。这个覆盖网络通过虚拟网络标识符（VNI）来区分不同的虚拟网络。
封装： VXLAN使用UDP（User Datagram Protocol）封装来传输虚拟网络的数据包。每个VXLAN数据包都被封装在一个UDP包中，UDP的目的端口通常是4789。
VXLAN头： VXLAN头部包含了VXLAN网络标识符（VNI），用于标识虚拟网络，以及其他一些字段。
扩展性： VXLAN通过使用24位的VNI提供了16,777,216（2^24）个虚拟网络标识符，从而支持大规模的虚拟网络。
多租户隔离： VXLAN允许在同一物理网络上创建多个虚拟网络，从而实现多租户隔离。每个虚拟网络都有独立的VNI，使其与其他虚拟网络相互隔离。
跨子网： VXLAN允许虚拟网络跨越物理子网，使得虚拟机能够在不同的物理子网上移动而无需修改其IP地址。
用途： VXLAN通常用于构建跨数据中心的云计算网络、实现虚拟机迁移、多租户环境隔离等场景。

1、VXLAN数据包格式

在这里插入图片描述

由上可以看出VXLAN将原始L2帧封装到L4 UDP报文中。

2、VXLAN协议原理

VTEP（VXLAN Tunnel Endpoints，VXLAN 隧道端点）：VXLAN 网络的边缘设备，用来进行 VXLAN 报文的处理（封包和解包）。VTEP 可以是网络设备（比如交换机），也可以是一台机器（比如虚拟化集群中的宿主机）。
VNI（VXLAN Network Identifier，VXLAN 网络标识符）：VNI 是每个 VXLAN 段的标识，是个 24 位整数，一共有 $2^{24} = 16777216$ （一千多万），一般每个 VNI 对应一个租户，也就是说使用 VXLAN 搭建的公有云可以理论上可以支撑千万级别的租户。
Tunnel（VXLAN 隧道）：隧道是一个逻辑上的概念，在 VXLAN 模型中并没有具体的物理实体向对应。隧道可以看做是一种虚拟通道，VXLAN 通信双方认为自己是在直接通信，并不知道底层网络的存在。从整体来说，每个 VXLAN 网络像是为通信的虚拟机搭建了一个单独的通信通道，也就是隧道。

上图所示为 VXLAN 的工作模型，它创建在原来的 IP 网络（L3层）上，只要是三层可达（能够通过 IP 相互通信）的网络就能部署 VXLAN。在 VXLAN 网络的每个端点都有一个 VTEP 设备，负责 VXLAN 协议报文的解包和封包，也就是在虚拟报文上封装 VTEP 通信的报文头部。

物理网络上可以创建多个 VXLAN 网络，可以将这些 VXLAN 网络看成一个隧道，不同节点上的虚拟机/容器能够通过隧道直连。通过 VNI 标识不同的 VXLAN 网络，使得不同的 VXLAN 可以相互隔离。

总的来说，VXLAN 报文的转发过程就是：原始报文经过 VTEP，被 Linux 内核添加上 VXLAN 头部以及外层的 UDP 头部，再发送出去，对端 VTEP 接收到 VXLAN 报文后拆除外层 UDP 头部，并根据 VXLAN 头部的 VNI 把原始报文发送到目的服务器。

3、VXLAN与VLAN的区别

VLAN作为传统的网络隔离技术，在标准定义中VLAN的数量只有4000个左右，无法满足大型数据中心的租户间隔离需求。另外，VLAN的二层范围一般较小且固定，无法支持虚拟机大范围的动态迁移。

VXLAN完美地弥补了VLAN的上述不足，一方面通过VXLAN中的24比特VNI字段，提供多达16M租户的标识能力，远大于VLAN的4000；另一方面，VXLAN本质上在两台交换机之间构建了一条穿越数据中心基础IP网络的虚拟隧道，将数据中心网络虚拟成一个巨型“二层交换机”，满足虚拟机大范围动态迁移的需求。

两者的具体区别如下：

封装机制：
- VXLAN： 使用UDP封装技术，通过在数据包上添加VXLAN头并使用UDP进行封装，从而在物理网络上创建一个虚拟网络。
- VLAN： 使用802.1Q标准，将VLAN标签插入以太网帧的头部，以区分不同的虚拟网络。
网络标识符：
- VXLAN： 使用24位的VXLAN网络标识符（VNI），允许创建多达16,777,216个虚拟网络。
- VLAN： 使用12位的VLAN标签，允许创建最多4096个VLAN。
扩展性：
- VXLAN： 提供更大的虚拟网络标识符空间，因此在大规模云计算环境中更具扩展性。
- VLAN： 在小到中型规模的网络中表现良好，但在大规模部署时可能受到限制。
隔离性：
- VXLAN： 具有更好的多租户隔离能力，每个虚拟网络都有独立的VNI，使其能够在物理网络上互相隔离。
- VLAN： 虽然可以提供隔离，但在大型部署中，VLAN的数量和范围受到一些限制。
跨子网：
- VXLAN： 允许虚拟网络跨越物理子网，因此虚拟机可以在不同的物理子网上移动而无需更改IP地址。
- VLAN： 通常限于单一子网，虚拟机在不同子网上移动时需要进行IP地址更改。
应用领域：
- VXLAN： 主要用于云计算环境，支持大规模虚拟网络的创建和管理。
- VLAN： 在传统企业网络中广泛应用，提供不同部门或功能之间的逻辑隔离。

二、VPP的VXLAN

通过使用VXLAN隧道在跨三层的underlay网络上构建二层overlay网络，可以实现二层桥接域（bridge domains，BD）跨越多个网络设备或公网。这使得在地理位置上分离的服务器也可以共同位于同一数据中心，只要它们可以通过底层的三层网络访问即可。

VPP中的VTEP（VXLAN Tunnel End Points，VXLAN隧道端点）设备就是VPP，VTEP是在创建VXLAN隧道时指定的，每个VXLAN隧道的源IP地址和目标IP地址就是本地服务器VTEP地址和目标服务器VTEP地址。

如下为两个VTEP设置之间负责对VXLAN流量进行封装和解封装操作过程，其中每个方框为VPP中的报文流量所经过的VPP节点。

在这里插入图片描述

在vppctl中创建VTEP1

# 将eth0口up
set interface state eth0 up

ip table add 100

# 创建eth0的qinq子接口eth0.100100，并up
create sub-interfaces eth0 100100 dot1q 100 inner-dot1q 100 exact-match
set interface state eth0.100100 up

# 创建vxlan接口eth0.10
create sub-interfaces eth0 10
set interface state eth0.10 up
set interface ip address eth0.10 192.168.8.8/24

# 创建Bridge Domain桥
create bridge-domain 11

# 创建BVI接口
bvi create instance 100
set interface state bvi100 up
create sub-interfaces bvi100 100100 dot1q 100 inner-dot1q 100 exact-match
set interface state bvi100.100100 up
set interface ip table bvi100.100100 100
set interface ip address  bvi100.100100 192.168.9.9/24

# 配置vxlan隧道
create vxlan tunnel src 192.168.8.8 dst 192.168.7.7 vni 10 decap-next l2
set interface l2 bridge vxlan_tunnel0 11
set interface l2 bridge eth0.100100 11
set interface l2 bridge bvi11.100100 11 bvi

配置VTEP2:

set interface state eth0 up
set interface state eth1 up

create sub-interfaces eth0 200200 dot1q 200 inner-dot1q 200 exact-match
set interface state eth0.200200 up

create sub-interfaces eth0 10
set interface state eth0.10 up
set interface ip address eth0.10 192.168.7.7/24

create bridge-domain 21

create vxlan tunnel src 192.168.7.7 dst 192.168.8.8 vni 10 decap-next l2
set interface l2 bridge vxlan_tunnel0 21
set interface l2 bridge eth0.200200 21
set interface l2 tag-rewrite eth0.200200 translate 2-2 dot1q 100 100

组网示图如下：

在这里插入图片描述