VXLAN技术下的数据中心通信网络设计及实现

李业谦

摘   要：文章以VXLAN技术为出发点，针对基于VXLAN技术下的数据中心通信网络方案设计展开研究，详细设计并实现说明不同VXLAN之间的APP报文、二层报文、三层报文的转发流程及主要特点。

关键词：VXLAN技术;数据中心;通信网络设计

某公司通过在不同区域设立两个数据中心，两大站点运用裸光纤实现彼此互联，两个数据中心均存在链路下联至分支机构[1]，在A站点的主机IPA因为机房空间、存储容量等因素，向B站点迁移时，应当确保跨两大站点的VMotion业务之间的连续性，并且要求服务器IP地址、网关地址以及MAC地址不可发生改变，因此在这一背景下，本文提出基于VXLAN技术的数据中心通信网络。

1    基于VXLAN技术的数据中心网络关键技术

1.1  技术路线选择

一般情况下选择两种技术路线方式，一种是运用四框虚拟化技术实现的大二层网络，此种方式作为双中心分别购置的4台支持四框虚拟化换机，经过对不同运营商所提供的两条新增链路，作为服务于双中心交换机的独立通道，实现了逻辑层面4台交换机之间作为同一设备，对网络设备的运行管理有效优化，也对网络拓扑加以简化，避免对于数据中心产生了流量迂回，更能够有效避免或减少宽带损耗问题及维护成本[2]。另一种是大二层隧道技术，运用VXLAN技术实现跨广域网二层互联，能够实现传统三层网络互穿，且运用三层网络实现二层报文传递，实现的大二层互通。

1.2  VXLAN报文

VXLAN报文是在原始二层报文至VXLAN隧道终点（VXLAN Tunnel End Point，VTEP）节点之后，被封装至VXLAN包头网络内，处于VXLAN网络中能够进行VXLAN报文设备的封装与解封，VTEP可以说是虚拟化Switch或物理Switch（见图1）。将VXLAN包头报文打上字目标VTEP之后，会完成VXLAN包头解封装，最终获取原始二层报文[3]。

2    VXLAN组网模式

2.1  软件模式

处于软件模式下主要经vSwitch功能，所以，vSwitch成为VTEP之后的可靠性会受到影响。具备了将硬件交换机转发平面这一优势特点，还能够有效实现平面解耦作用，满足软件版本的快速迭代，缩减软件迭代所需成本，且无需更换原本的硬件网络基础设备。但存在的主要模式缺点，以vSwitch转发性能问题为主，均由ASIC芯片实现硬件交换机转发，作为一种专门为实现交换机转发所设计的芯片，但是由X86的CPU实现vSwitch转发。所以vSwitch存在成为VTEP之后的性能可靠性影响，并且无法对物理服务器模式进行管理[4]。

2.2  硬件模式

对于硬件模式内经物理交换机实现VTEP功能，具备的优势特点为：硬件交换机作为VTEP，能够有效保障转发性能，可同步管理虚拟化服务器、物理服务器，能够实现对全部虚拟化平台的完全兼容。但是具备的运用问题就是在硬件兼容中，各设备交换厂商兼容解决方案难度较大，极有可能发生同一厂商绑死问题。再者就是硬件交换机通常都无法满足VXLAN支持需求，所以这样一来便极易出现硬件设备的大规模迭代故障。

2.3  软硬件混合模式

软硬件混合模式相较于以上单独软件、硬件来讲，作为一種比较折衷的技术方案，实现基于虚拟化平台的VTEP以vSwitch为主[5]，可以将物理VTEP交换机接入至物理服务器内，能够有效整合以上两种模式的优点，但也存在缺陷问题，即削弱了每种单独模式的优点，实施难度较大，存在管理兼容问题。基础设施层（Infrastructure Layer，IL）：主要由网络设备即支持OpenFlow协议的SDN交换机组成，负责基于流表的数据处理、转发和状态收集;控制层（Control Layer，CL）：主要包含OpenFlow控制器及网络操作系统（Network Operation System，NOS），负责处理数据平面资源的编排、维护网络拓扑、状态信息等;应用层（Application Layer，AL）：包括多种业务与应用，能执行控制层的特定控制算法，以流命令的方式下发给基础设施设备。

3    VXLAN报文转发

在ARP报文转发中，类似于传统以太网，在VTEP对VXLAN处理存在显著区别，早期的ARP报文方式，在运用中主要技术缺点包括产生了较多不可控组传播流量，如今研究者对于基于SDN的控制协议逐渐加以运用。

在二层报文转发中，Spine，Leaf二者之间能够形成网路节点，满足不同设备之间经动态化路由协议互联，对于同一VTEP节点中经Subnet的两主机之间实现转发，无需再经VTEP打VXLAN包头。

在三层报文转发中，只需将VXLAN三层网管概念引入即可实现两个不同Subnet主机运用三层网管路由，可以对网络中的节点数量增加复杂化的问题进行有效解决，极大地减少了网络延时问题，节约了上联链路带宽。

4    详细设计实现

由于A站点服务器所在区域，至B站点的服务器区域，经三层网络层面主要实现路径有两条，能够达到较高的冗余性，运用VXLAN隧道直经传统三层网试下透传，并运用分布式VXLAN网关实现战略部署，也就是A，B两站点部署同等网关，并且任何数据中心完成全部服务器网关部署（见图2）。对于运用虚拟机迁移，可以经VXLAN对IP/MAC型的主机路由发布后，随虚拟机实现同步漂移。与此同时还可支持双中心服务器汇聚交换机，经EVPN VXLAN技术，完成二层网设计。对于交换机则设计三层互联单层通道，运用EVPN协议在三层连接基础之上建立二层VXLAN隧道，对IP/MAC信息同步虚拟，双中心部署分布式网关。迁移之前A站点VXLAN网关完成A主机路由器发布，经电信线路向分支机构访问A站点。迁移之后在虚拟机对ARP请求发动时，B站点VXLAN网关会对虚拟机上线提前感知，从而成功触发本地ARP检查。

5    结语

基于VXLAN技术设计实现的数据中心网络，在很大程度上有效优化了大规模数据中心网，并且经过实现平面控制能够学习MAC及ARP，对网络泛洪问题能有效抑制，当然该技术在未来还需要进一步深入研究和逐步完善。

[参考文献]

[1]张辉.SDN/NFV/VXLAN技术在数据中心中的应用[J].中国新通信，2016（21）：112-113.

[2]郑邦峰.基于分布式VxLAN和EVPN的企业级数据中心网络建设[J].工业技术创新，2019（1）：63-67.

[3]王彩.基于交换机的VXLAN技术实现和测试研究[D].西安：西安电子科技大学，2015.

[4]李翔.基于VXLAN和SDN的云数据中心解决方案[J].电子科学技术，2015（5）：587-592.

[5]叶柯.VXLAN网络技术在SDN环境下应用的研究[J].宁波广播电视大学学报，2015（3）：124-128.