Neutron 理解 (3): Open vSwitch + GRE/VxLAN 組網 [Netruon Open vSwitch + GRE/VxLAN Virutal Network]

1. Overlay 網絡

1.1 Overlay 技術概述

    Overlay 在網絡技術領域，指的是一種網絡架構上疊加的虛擬化技術模式，其大體框架是對基礎網絡不進行大規模修改的條件下，實現應用在網絡上的承載，並能與其它網絡業務分離，並且以基於IP的基礎網絡技術爲主。Overlay 技術是在現有的物理網絡之上構建一個虛擬網絡，上層應用只與虛擬網絡相關。一個Overlay網絡主要由三部分組成：

• 邊緣設備：是指與虛擬機直接相連的設備
• 控制平面：主要負責虛擬隧道的建立維護以及主機可達性信息的通告
• 轉發平面：承載 Overlay 報文的物理網絡

    當前主流的 Overlay 技術主要有VXLAN, GRE/NVGRE和 STT。這三種二層 Overlay 技術，大體思路均是將以太網報文承載到某種隧道層面，差異性在於選擇和構造隧道的不同，而底層均是 IP 轉發。如下表所示爲這三種技術關鍵特性的比較。其中VXLAN利用了現有通用的UDP傳輸，其成熟性高。總體比較，VLXAN技術相對具有優勢。

1. 1 GRE 技術

     GRE（Generic Routing Encapsulation，通用路由協議封裝）協議，是一種 IP-over-IP 的隧道，由 Cisco 和 Net-smiths 等公司於1994年提交給IETF，它對部分網絡層協議（IP）的數據報進行封裝，使這些被封裝的數據報能夠在 IPv4/IPv6 網絡中傳輸。其協議格式見RFC2784（https://tools.ietf.org/html/rfc2784）。簡單的說，GRE是一種協議封裝的格式。它規定了如何用一種網絡協議去封裝另一種網絡協議，很多網絡設備都支持該協議。說得直白點，就是 GRE 將普通的包（如ip包）封裝了，又按照普通的ip包的路由方式進行路由，相當於ip包外面再封裝一層 GRE 包。在本例子中，在 GRE 包外圍實際上又有一層公網的ip包。 

   GRE 使用 tunnel（隧道）技術，數據報在 tunnel 的兩端封裝，並在這個通路上傳輸，到另外一端的時候解封裝。你可以認爲 tunnel 是一個虛擬的點對點的連接。（實際 Point To Point 連接之後，加上路由協議及nat技術，就可以把兩個隔絕的局域網連接在一起，就實現了NetToNet的互聯）。一般 GRE turnel 是在多個網絡設備（一般爲路由器）之間建立。因爲 linux 服務具備路由轉發功能，所以當您缺少專業的路由設備的時候，可使用 linux 服務器實現 gre turnel 的建立（實際上巨大多數網絡設備都使用unix或linux系統）。

 

這篇文章 很好地解釋 GRE 的原理和一個應用場景。

1.1.1 應用場景

    辦公網（LAN 192.168.1.0/24，並通過固定的公網IP上網）和 IDC （LAN 10.1.1.0/24，並有多個公網ip，兩者通過公網ip互聯）這兩個局域網 (或者任意兩個不同局域網) 相互隔離。但是在日常運維和研發過程中，需要在辦公網訪問IDC網絡。如果都通過公網 IP 繞，既不方便，也不安全；拉專線是最穩定可靠的辦法，但是成本高。

1.1.2 使用 GRE 的配置

如果公司有多餘的固定的公網 ip 或者路由器本身支持GRE，建議使用 GRE 方案。

（1）辦公網路由器（linux服務器實現）：局域網IP 192.168.1.254，公網 IP 180.1.1.1 配置。

cat /usr/local/admin/gre.sh #並把改腳本加入開機啓動

#!/bin/bash
modprobe ip_gre #加載gre模塊
ip tunnel add office mode gre remote 110.2.2.2 local 180.1.1.1 ttl 255 #使用公網 IP 建立 tunnel 名字叫 ”office“ 的 device，使用gre mode。指定遠端的ip是110.2.2.2，本地ip是180.1.1.1。這裏爲了提升安全性，你可以配置iptables，公網ip只接收來自110.2.2.2的包，其他的都drop掉。
ip link set office up #啓動device office 
ip link set office up mtu 1500 #設置 mtu 爲1500
ip addr add 192.192.192.2/24 dev office #爲 office 添加ip 192.192.192.2
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward #讓服務器支持轉發
ip route add 10.1.1.0/24 dev office #添加路由，含義是：到10.1.1.0/24的包，由office設備負責轉發
iptables -t nat -A POSTROUTING -d 10.1.1.0/24 -j SNAT --to 192.192.192.2#否則 192.168.1.x 等機器訪問 10.1.1.x網段不通

IDC路由器（linux服務器實現）：局域網 ip：10.1.1.1，公網 ip110.2.2.2配置
cat /usr/local/admin/gre.sh#並把改腳本加入開機啓動

#!/bin/bash
modprobe ip_gre
ip tunnel add office mode gre remote 180.1.1.1 local 110.2.2.2 ttl 255
ip link set office up
ip link set office up mtu 1500
ip addr add 192.192.192.1/24 dev office #爲office添加 ip 192.192.192.1
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
ip route add 192.168.1.0/24 dev office
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.192.192.2 -d 10.1.0.0/16 -j SNAT --to 10.1.1.1 #否則192.168.1.X等機器訪問10.1.1.x網段不通
iptables -A FORWARD -s 192.192.192.2 -m state --state NEW -m tcp -p tcp --dport 3306 -j DROP #禁止直接訪問線上的3306，防止內網被破

配置示意圖：

然後兩個局域網中的機器就可以互通了。

1.1.3 過程    

過程：

1. GRE turnel 的打通：這個過程就是雙方建立turnel的過程。 
2. 局域網路由過程
（1）主機 A 發送一個源爲192.168.1.2，目的爲 10.1.1.2 的包。
（2）封裝過程
        1、根據內網路由，可能是你的默認路由網關將之路由至 192.168.1.254。
        2、192.168.1.254 第一次封裝包，增加 GRE 包頭，說明包的目的地址 192.192.192.1 和源地址192.192.192.2。
        3、192.168.1.254 第二次封裝包，增加公網的包頭（否則在公網上無法路由），說明包的目的地址 110.2.2.2 和源地址 180.1.1.1。
        4、192.168.1.254 把所有到 10.1.1.0/24 的包，源地址都轉換爲從192.192.192.2 出（snat）。
3. 公網路由過程：經過n個路由設備，該包最終路由到110.2.2.2。
4. 拆包過程
        1、B端的路由器檢測到是到達自己的 IP，就開始拆包。
        2、拆包之後發現有GRE協議，就進一步拆包。
        3、拆包之後發現目的地不是自己的內網ip、發現自己本地做了snat，就將其源IP替換爲10.1.1.1。
5. 局域網路由
        1、實際上從 10.1.1.1 出發的，到達目的地爲 10.1.1.2 的包，無需路由，直接在局域網內廣播。10.1.1.2 的機器確定是發送給自己的包，就接收。然後進一步處理了。

（注：以上文字皆摘自 http://h2ofly.blog.51cto.com/6834926/1544860）

1.1.4 GRE 的不足

GRE 技術本身還是存在一些不足之處：

（1）Tunnel 的數量問題

    GRE 是一種點對點（point to point）標準。Neutron 中，所有計算和網絡節點之間都會建立 GRE Tunnel。當節點不多的時候，這種組網方法沒什麼問題。但是，當你在你的很大的數據中心中有 40000 個節點的時候，又會是怎樣一種情形呢？使用標準 GRE的話，將會有 780 millions 個 tunnels。

（2）擴大的廣播域

   GRE 不支持組播，因此一個網絡（同一個 GRE Tunnel ID）中的一個虛機發出一個廣播幀後，GRE 會將其廣播到所有與該節點有隧道連接的節點。

（3）GRE 封裝的IP包的過濾和負載均衡問題

    目前還是有很多的防火牆和三層網絡設備無法解析 GRE Header，因此它們無法對 GRE 封裝包做合適的過濾和負載均衡。 

1.2. VxLAN 技術

    VxLAN 主要用於封裝、轉發2層報文。VXLAN 全稱 Virtual eXtensible Local Area Network，簡單的說就是擴充了的 VLAN，其使得多個通過三層連接的網絡可以表現的和直接通過一臺一臺物理交換機連接配置而成的網絡一樣處在一個 LAN 中。

    它的實現機制是，將二層報文加上個 VxLAN header，封裝在一個 UDP 包中進行傳輸。VxLAN header 會包括一個 24 位的 ID（稱爲VNI），含義類似於 VLAN id 或者 GRE 的 tunnel id。GRE 一般是通過路由器來進行 GRE 協議的封裝和解封的，在 VXLAN 中這類封裝和解封的組件有個專有的名字叫做 VTEP。相比起 VLAN 來說，好處在於其突破了VLAN只有 4000+ 子網的限制，同時架設在 UDP 協議上後其擴展性提高了不少（因爲 UDP 是高層協議，屏蔽了底層的差異，換句話說屏蔽了二層的差異）。

1.2.1 VxLAN 主要的網絡設備與組網方案

VXLAN網絡設備主要有三種角色，分別是：

（1）VTEP(VXLAN Tunnel End Point)：直接與終端設備比如虛機連接的設備，負責原始以太報文的 VXLAN 封裝和解封裝，形態可以是虛擬交換機比如 Open vSwitch，也可以是物理交換機。

（2）VXLAN GW(VXLAN Gateway/二層網關)：用於終結VXLAN網絡，將VXLAN報文轉換成對應的傳統二層網絡送到傳統以太網絡，適用於VXLAN網絡內服務器與遠端終端或遠端服務器的二層互聯。如在不同網絡中做虛擬機遷移時，當業務需要傳統網絡中服務器與VXLAN網絡中服務器在同一個二層中，此時需要使用VXLAN二層網關打通VXLAN網絡和二層網絡。如下圖所示，VXLAN 10網絡中的服務器要和IP網絡中VLAN100的業務二層互通，此時就需要通過VXLAN的二層網關進行互聯。VXLAN10的報文進入IP網絡的流量，剝掉VXLAN的報文頭，根據VXLAN的標籤查詢對應的VLAN網絡（此處對應的是VLAN100），並據此在二層報文中加入VLAN的802.1Q報文送入IP網絡；相反VLAN100的業務流量進入VXLAN也需要根據VLAN獲知對應的VXLAN網絡編號，根據目的MAC獲知遠端VTEP的IP地址，基於以上信息進行VXLAN封裝後送入對應的VXLAN網絡。可見，它除了具備 VTEP 的功能外，還負責 VLAN 報文與 VXLAN 報文之間的映射和轉發，主要以物理交換機爲主。

（3）VXLAN IP GW(VXLAN IP Gateway/三層網關)：用於終結 VXLAN 網絡，將 VXLAN 報文轉換成傳統三層報文送至 IP 網絡，適用於 VXLAN 網絡內服務器與遠端終端之間的三層互訪；同時也用作不同VXLAN網絡互通。如下圖所示，當服務器訪問外部網絡時，VXLAN三層網關剝離對應VXLAN報文封裝，送入IP網絡；當外部終端訪問VXLAN內的服務器時，VXLAN根據目的IP地址確定所屬VXLAN及所屬的VTEP，加上對應的VXLAN報文頭封裝進入VXLAN網絡。VXLAN之間的互訪流量與此類似，VXLAN網關剝離VXLAN報文頭，並基於目的IP地址確定所屬VXLAN及所屬的VTEP，重新封裝後送入另外的VXLAN網絡。可見，具有 VXLAN GW 的所有功能，此外，還負責處理不同 VXLAN 之間的報文通信，同時也是數據中心內部服務嚮往發佈業務的出口，主要以高性能物理交換機爲主。

可見，無論是二層還是三層網關，均涉及到查錶轉發、VXLAN報文的解封裝和封裝操作。從轉發效率和執行性能來看，都只能在物理網絡設備上實現，並且傳統設備無法支持，必須通過新的硬件形式來實現。以上設備均是物理網絡的邊緣設備，而有三種邊緣設備構成了VXLAN Overlay 網絡，對於應用系統來說，只與這三種設備相關，而與底層物理網絡無關。

Overlay 網絡架構就純大二層的實現來說，可分爲 網絡Overlay、主機Overlay以及兩種方式同時部署的混合Overlay。 Overlay網絡與外部網絡數據連通也有多種實現模式，並且對於關鍵網絡部件有不同的技術要求。

（1）網絡 Overlay 方案：使用物理交換機做VxLAN網絡設備

網絡Overlay

    網絡Overlay 方案如上圖所示，所有的物理接入交換機支持VXLAN，物理服務器支持SR-IOV功能，使虛擬機通過SR-IOV技術直接與物理交換機相連，虛擬機的流量在接入交換機上進行VXLAN報文的封裝和卸載，對於非虛擬化服務器，直接連接支持VXLAN的接入交換機，服務器流量在接入交換機上進行VXLAN報文封裝和卸載;當VXLAN網絡需要與VLAN網絡通信時，採用物理交換機做VXLAN GW，實現VXLAN網絡主機與VLAN網絡主機的通信;採用高端交換機做VXLAN IP GW，實現VXLAN網絡與WAN以及Internet的互連。

（2）主機Overlay方案：使用服務器上的軟件實現VxLAN網絡設備

主機Overlay

  在主機Overlay方案中(如上圖所示)，VTEP、VXLAN GW、VXLAN IP GW 均通過安裝在服務器上的軟件實現，

• vSwitch 實現VTEP功能，完成VXLAN報文的封裝解封裝; 
• vFW 等實現VXLAN GW功能，實現VXLAN網絡與VLAN網絡、物理服務器的互通;
• vRouter作爲VXLAN IP GW，實現 VXLAN 網絡與 Internet和WAN的互聯。

在本組網中，由於所有VXLAN報文的封裝卸載都通過軟件實現，會佔用部分服務器資源，當訪問量大時，vRouter會成爲系統瓶頸。

（3）混合Overlay組網方案

混合Overlay

    上述兩種組網方案中，網絡Overlay方案與虛擬機相連，需要通過一些特殊的要求或技術實現虛擬機與VTEP的對接，組網不夠靈活，但是主機Overlay方案與傳統網絡互通時，連接也比較複雜，且通過軟件實現 VXLAN IP GW 也會成爲整個網絡的瓶頸，所以最理想的組網方案應該是一個結合了網絡Overlay與主機Overlay兩種方案優勢的混合Overlay方案。  

    如上圖所示，它通過 vSwitch 實現虛擬機的VTEP，通過物理交換機實現物理服務器的VTEP，通過物理交換機實現VXALN GW和VXLAN IP GW；混合式Overlay組網方案對虛擬機和物理服務器都能夠很好的兼容，同時通過專業的硬件交換機實現VXLAN IP GW從而承載超大規模的流量轉發，是目前應用比較廣泛的組網方案。

VxLAN 網絡中，虛機之間的三種互訪形式：

1. 相同VXLAN內 VM之間互訪：
   1. 單播報文在 VTEP 處查找目的MAC地址，確定對應的VTEP主機IP地址
   2. 根據目的和源VTEP主機IP地址封裝VXLAN報文頭後發送給IP核心網
   3. IP 核心內部根據路由轉發該UDP報文給目的VTEP
   4. 目的VTEP解封裝VXLAN報文頭後按照目的MAC轉發報文給目的VM

2. 不同VXLAN內 VM之間需要互訪經過VXLAN IP GW 完成，

   1. 在VXLAN IP GW上匹配 VXLAN Maping 表項進行轉發，報文封裝模式同同一VXLAN內VM一致

3. VXLAN VM與VLAN VM之間互訪，通過VXLAN GW來完成，

   1. VXLAN 報文先通過VXLAN 內部轉發模式對報文進行封裝，目的IP爲VXLAN GW，

   2. 在VXLAN GW把VXLAN報文解封裝後，匹配二層轉發表項進行轉發，VLAN到VXLAN的訪問流程正好相反

1.2.2 VXLAN 的實現

1.2.2.1 VxLAN 將二層數據幀封裝爲 UDP 包

含義：

• Outer MAC destination address (MAC address of the tunnel endpoint VTEP)
• Outer MAC source address (MAC address of the tunnel source VTEP)
• Outer IP destination address (IP address of the tunnel endpoint VTEP)
• Outer IP source address (IP address of the tunnel source VTEP)
• Outer UDP header：Src port 往往用於 load balancing，下文有提到；Dst port 即 VXLAN Port，默認值爲 4789.
• VNID：表示該幀的來源虛機所在的 VXLAN 網段的 ID

特點：

• VNID： 24-bits，最大 16777216。每個不同的 24-bits VNI 代表一個 VXLAN 網段。只有同一個網段中的虛機才能互相通信。
• VXLAN Port：目的 UDP 端口，默認使用 4789 端口。用戶可以自己配置。 
• 兩個 VTEP 之間的 VXLAN tunnels 是無狀態的。
• VTEP 可以在虛擬交換機上，物理交換機或者物理服務器上通過軟件或者硬件實現。
• 使用多播來傳送未知目的的、廣播或者多播幀。
• VTEP 不可以對 VXLAN 包分段。

1.2.2.2 VTEP 尋址

    一個 VTEP 可以管理多個 VXLAN 隧道，每個隧道通向不同的目標。那 VTEP 接收到一個二層幀後，它怎麼根據二層幀中的目的 MAC 地址找到對應的 VXLAN 隧道呢？VXLAN 利用了多播和 MAC 地址學習技術。如果它收到的幀是個廣播幀比如 ARP 幀，也會經過同樣的過程。

    以下圖爲例，每個 VTEP 包含兩個 VXLAN 隧道。VTEP-1 收到二層 ARP 幀1（A 要查找 B 的 MAC） 後，發出一個 Dst IP 地址爲VTEP多播組 239.1.1.1 的 VXLAN 封裝 UDP 包。該包會達到 VTEP-2 和 VTEP-3。VTEP-3 收到後，因爲目的 IP 地址不在它的範圍內，丟棄該包，但是學習到了一條路徑：MAC-A,VNI 10,VTEP-1-IP，它知道要到達 A 需要經過 VTEP-1 了。VTEP-2 收到後，發現目的 IP 地址是機器 B，交給 B，同時添加學習到的規則 MAC-A,VNI 10,VTEP-1-IP。B 發回響應幀後，VTEP-2 直接使用 VTEP-1 的 IP 直接將它封裝成三層包，通過物理網絡直接到達 VTEP-1，再由它交給 A。VTEP-1 也學習到了一條規則 MAC-B,VNI 10,VTEP-2-IP。

1.2.2.3 VxLAN 組網

• 邏輯 VxLAN Tunnel：建立在物理的 VxLAN 網絡之上，向虛機提供虛擬的二層網絡，以 VNID 做區分。
• VTEP （VxLAN Tunnel End Point）：對虛機的二層包封裝和解封。

1.2.2.4 數據流向

     

發送端：

1. 計算目的地址：Linux 內核在發送之前會檢查數據幀的目的MAC地址，需要選擇目的 VTEP。
   1. 如果是廣播或者多播地址，則使用其 VNI 對應的 VXLAN group 組播地址，該多播組內所有的 VTEP 將收到該多播包；
   2. 如果是單播地址，如果 Linux 的 MAC 表中包含該 MAC 地址對應的目的 VTEP 地址，則使用它；
   3. 如果是單播地址，但是 LInux 的 MAC 表中不包含該 MAC 地址對應的目的 VTEP IP，那麼使用該 VNI 對應的組播地址。
2. 添加Headers：依次添加 VXLAN header，UDP header，IP header。

接收端：

1. UDP監聽：因爲 VXLAN 利用了 UDP，所以它在接收的時候勢必須要有一個 UDP server 在監聽某個端口，這個是在 VXLAN 初始化的時候完成的。
2. IP包剝離：一層一層剝離出原始的數據幀，交給 TCP/IP 棧，由它交給虛機。

實現代碼在 這裏。

1.2.2.6 負載均衡

    組成 VXLAN 隧道的三層路由器在有多條 ECMP （Equal-cost multi-path routing）路徑通往目的 VTEP 時往往會使用基於每個包（ per-package） 的 負載均衡（load balancing）。因爲兩個 VTEP 之間的所有數據包具有相同的 outer source and destination IP addresses 和 UDP destination port，因此 ECMP 只能使用 soure UDP port。VTEP 往往將其設置爲原始數據幀中的一些參數的 hash 值，這樣 ECMP 就可以使用該 hash 值來區分 tunnels 直接的網絡流量了。

這裏有更詳細的 VXLAN 介紹。

1.3. 相關技術對比

1.3.1 VLAN 和 VxLAN 的對比

該圖中的網絡組件和Neutorn 中相應的組件一一對應：

VLAN	VXLAN
cloudVirBrX 對應於 br-int ethY.X 對應於 br-eth3 （物理bridge） ethY 對應於 Hypervisor NIC	cloudVirBrX 對應於 br-int vxlanX 對應於 Neutron 中的 br-tun。 cloudbrZ 對應於 Neutorn 中的 br-tun 上的 vxlan interface。 ethY 對應於Hypervisor NIC

 

 1.3.2 GRE 和 VXLAN 對比 

Feature	VXLAN	GRE
Segmentation	24-bit VNI (VXLAN Network Identifier)	Uses different Tunnel IDs
Theoretical scale limit	16 million unique IDs	16 million unique IDs
Transport	UDP (default port 4789)	IP Protocol 47
Filtering	VXLAN uses UDP with a well-known destination port; firewalls and switch/router ACLs can be tailored to block only VXLAN traffic.	Firewalls and layer 3 switches and routers with ACLs will typically not parse deeply enough into the GRE header to distinguish tunnel traffic types; all GRE would need to be blocked indiscriminately.
Protocol overhead	50 bytes over IPv4 (8 bytes VXLAN header, 20 bytes IPv4 header, 8 bytes UDP header, 14 bytes Ethernet).	42 bytes over IPv4 (8 bytes GRE header, 20 bytes IPv4 header, 14 bytes Ethernet).
Handling unknown destination packets, broadcasts, and multicast	VXLAN uses IP multicast to manage flooding from these traffic types. Ideally, one logical Layer 2 network (VNI) is associated with one multicast group address on the physical network. This requires end-to-end IP multicast support on the physical data center network.	GRE has no built-in protocol mechanism to address these. This type of traffic is simply replicated to all nodes.
IETF specification	http://tools.ietf.org/html/draft-mahalingam-dutt-dcops-vxlan-01	http://tools.ietf.org/html/rfc2784.html

2. Neutron 通過 OVS 對 GRE 和 VXLAN 的支持

    因爲 OVS 對兩種協議的實現機制，Neutron 對兩個協議的支持的代碼和配置幾乎是完全一致的，除了一些細小差別，比如名稱，以及個別配置比如VXLAN的UDP端口等。OVS 在計算或者網絡節點上的 br-tun 上建立多個 tunnel port，和別的節點上的 tunnel port 之間建立點對點的 GRE/VXLAN Tunnel。Neutron GRE/VXLAN network 使用 segmentation_id （VNI 或者 GRE tunnel id） 作爲其網絡標識，類似於 VLAN ID，來實現不同網絡內網絡流量之間的隔離。

2.1 Open vSwitch 實現的 VxLAN VTEP

  從上面的基礎知識部分，我們知道 VTEP 不只是實現包的封裝和解包，還包括：

（1）ARP 解析：需要儘量高效的方式響應本地虛機的 ARP 請求

（2）目的 VTEP 地址搜索：根據目的虛機的 MAC 地址，找到它所在機器的 VTEP 的 IP 地址

通常的實現方式包括：

（1）使用 L3 多播

（2）使用 SDN 控制器（controller）來提供集中式的 MAC/IP 對照表

（一個基於 Linuxbrige + VxLAN + Service Node 的集中式 Controller node 解決 VNI-VTEP_IPs 映射的提議，替代L3多播和廣播，來源： 20140520-dlapsley-openstack-summit-vancouver-vxlan-v0-150520174345-lva1-app6891.pptx）

（3）在VTEP本地運行一個代理（agent），接收（MAC, IP, VTEP IP）數據，並提供給 VTEP

那 Open vSwitch 是如何實現這些功能需求的呢？

（1）在沒有啓用 l2population 的情況下，配置了多播就使用多播，沒的話就使用廣播

（2）在啓用 l2population 的情況下，在虛機 boot 以後，通過 MQ 向用於同網絡虛機的節點上的 l2population driver 發送兩種數據，再將數據加入到 OVS 流表

    （2.1）FDB (forwarding database): 目的地址-所在 VTEP IP 地址的對照表，用於查找目的虛機所在的 VTEP 的 IP 地址

     （2.2）虛機 IP 地址 - MAC 地址的對照表，用於響應本地虛機的 ARP 請求

詳細情況，請參考 Neutron 理解 (4): Neutron OVS OpenFlow 流表 和 L2 Population [Netruon OVS OpenFlow tables + L2 Population]

2.2 隧道端口 （tunnel port）

    下面是一個實例。該例子中，10.0.1.31 Hypervisor上的 br-tun 上分別有兩個 GRE tunnel 端口和兩個 VXLAN tunnel 端口，分別連接 目標 Hypervisor 10.0.1.39 和 21。

Bridge br-tun
        Port "vxlan-0a000127"
            Interface "vxlan-0a000127"
                type: vxlan
                options: {df_default="true", in_key=flow, local_ip="10.0.1.31", out_key=flow, remote_ip="10.0.1.39"}
        Port "vxlan-0a000115"
            Interface "vxlan-0a000115"
                type: vxlan
                options: {df_default="true", in_key=flow, local_ip="10.0.1.31", out_key=flow, remote_ip="10.0.1.21"}
        Port "gre-0a000127"
            Interface "gre-0a000127"
                type: gre
                options: {df_default="true", in_key=flow, local_ip="10.0.1.31", out_key=flow, remote_ip="10.0.1.39"}
        Port "gre-0a000115"
            Interface "gre-0a000115"
                type: gre
                options: {df_default="true", in_key=flow, local_ip="10.0.1.31", out_key=flow, remote_ip="10.0.1.21"}

當有多個節點時，Neutron 會建立一個 tunnel 網：

2.3 在不使用 l2population 時的隧道建立過程

    要使用 GRE 和 VXLAN，管理員需要在 ml2 配置文件中配置 local_ip（比如該物理服務器的公網 IP），並使用配置項 tunnel_types 指定要使用的隧道類型，即 GRE 或者 VXLAN。當 enable_tunneling = true 時，Neutorn ML2 Agent 在啓動時會建立 tunnel bridge，默認爲 br-tun。接着，ML2 Agent 會在 br-tun 上建立 tunnel ports，作爲 GRE/VXLAN tunnel 的一端。具體過程如圖所示：

OVS 默認使用 4789 作爲 VXLAN port。下表中可以看出 Neutron 節點在該端口上監聽來自所有源的UDP包：

root@compute1:/home/s1# netstat -lnup
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name
udp     3840      0 0.0.0.0:4789            0.0.0.0:*                           -

2.4 Neutron tunnel 數據流向

    Neutron 中的數據流向是受 Neutron 添加在 integration bridge 和 tunnel bridge 中的 OpenFlow rules 控制的，而且和 L2 population 直接相關。具體內容在下一篇文章中會仔細分析。 

2.5 MTU 問題（來源）

 VXLAN 模式下虛擬機中的 mtu 最大值爲1450，也就是隻能小於1450，大於這個值會導致 openvswitch 傳輸分片，進而導致虛擬機中數據包數據重傳，從而導致網絡性能下降。GRE 模式下虛擬機 mtu 最大爲1462。

計算方法如下：

• vxlan mtu = 1450 = 1500 – 20(ip頭) – 8(udp頭) – 8(vxlan頭) – 14(以太網頭)
• gre mtu = 1462 = 1500 – 20(ip頭) – 4(gre頭) – 14(以太網頭)

可以配置 Neutron DHCP 組件，讓虛擬機自動配置 mtu，官方文檔鏈接 http://docs.openstack.org/juno/install-guide/install/yum/content/neutron-network-node.html

#/etc/neutron/dhcp_agent.ini
[DEFAULT]
dnsmasq_config_file = /etc/neutron/dnsmasq-neutron.conf

#/etc/neutron/dnsmasq-neutron.conf
dhcp-option-force=26,1450或1462

重啓 DHCP Agent，讓虛擬機重新獲取 IP，然後使用 ifconfig 查看是否正確配置 mtu。

3. H3C 選擇 VxLAN 的理由

   H3C 是國內領先的網絡設備供應商之一，在其 一篇文章 中，談到了他們爲什麼選擇 VxLAN 技術。這對別的用戶具有一定的參考性。

3.1 爲什麼選擇 VxLAN

從Overlay網絡出現開始，業界陸續定義了多種實現Overlay網絡的技術，主流技術包括：VXLAN、NVGRE、STT、Dove等（如圖3所示）。

  

Overlay主流技術概覽（沒找到清晰圖。。）

從標準化程度進行分析，DOVE和STT到目前爲止，標準化進展緩慢，基本上可以看作是IBM和VMware的私有協議。因此，從H3C的角度來看無法選擇這兩種技術。

從技術的實用性來看，XLAN和NVGRE兩種技術基本相當。其主要的差別在於鏈路Hash能力。由於NVGRE採用了GRE的封裝報頭，需要在標準GRE報頭中修改部分字節來進行Hash實現鏈路負載分擔。這就需要對物理網絡上的設備進行升級改造，以支持基於GRE的負載分擔。這種改造大部分客戶很難接受。相對而言，VXLAN技術是基於UDP報頭的封裝，傳統網絡設備可以根據UDP的源端口號進行Hash實現鏈路負載分擔。這樣VXLAN網絡的部署就對物理網絡沒有特殊要求。這是最符合客戶要求的部署方案，所以VXLAN技術是目前業界主流的實現方式。

3.2 VXLAN爲什麼選擇SDN

    VXLAN的標準協議目前只定義了轉發平面流程，對於控制平面目前還沒有協議規範，所以目前業界有三種定義VXLAN控制平面的方式。

方式1：組播。由物理網絡的組播協議形成組播表項，通過手工將不同的VXLAN與組播組一一綁定。VXLAN的報文通過綁定的組播組在組播對應的範圍內進行泛洪。簡單來說，和VLAN方式的組播泛洪和MAC地址自學習基本一致。區別只是前者在三層網絡中預定義的組播範圍內泛洪，而後者是在二層網絡中指定VLAN範圍內泛洪。這種方式的優點是非常簡單，不需要做協議擴展。但缺點也是顯而易見的，需要大量的三層組播表項，需要複雜的組播協議控制。顯然，這兩者對於傳統物理網絡的交換機而言，都是巨大的負荷和挑戰，基本很難實現。同時，這種方式還給網絡帶來大量的組播泛洪流量，對網絡性能有很大的影響。

方式2：自定義協議。通過自定義的鄰居發現協議學習Overlay網絡的拓撲結構並建立隧道管理機制。通過自定義（或擴展）的路由協議透傳Overlay網絡的MAC地址（或IP地址）。通過這些自定義的協議可以實現VXLAN控制平面轉發表項的學習機制。這種方式的優點是不依賴組播，不存在大量的組播泛洪報文，對網絡性能影響很小。缺點是通過鄰居發現協議和路由協議控制所有網絡節點，這樣網絡節點的數量就受到協議的限制。換句話說，如果網絡節點的數量超過一定範圍，就會導致對應的協議（例如路由協議）運行出現異常。這一點在互聯網行業更加明顯，因爲互聯網行業雲計算的基本特徵就是大規模甚至超大規模。尤其是在vSwitch上運行VXLAN自定義路由協議，其網絡節點數量可以達到幾千甚至上萬個，沒有路由協議可以支持這種規模的網絡。

方式3：SDN控制器。通過SDN控制器集中控制VXLAN的轉發，經由Openflow協議下發表項是目前業界的主流方式。這種方式的優點是不依賴組播，不對網絡造成負荷；另外，控制器通過集羣技術可以實現動態的擴容，所以可以支持大規模甚至超大規模的VXLAN網絡。當然，SDN控制器本身的性能和可靠性決定了全網的性能和可靠性，所以如何能夠提高控制器的性能和可靠性就是核心要素。

3.3 VXLAN Fabric網絡架構的優勢

    雲計算網絡一直都有一個理念：Network as a Fabric，即整網可以看作是一個交換機。通過VXLAN Overlay可以很好地實現這一理念——VXLAN Fabric（如下圖所示）。

 

VXLAN Fabric網絡架構

Spine和Leaf節點共同構建了Fabric的兩層網絡架構，通過VXLAN實現Spine和Leaf之間的互聯，可以看做是交換機的背板交換鏈路。Spine節點數量可以擴容，最大可以達到16臺。Leaf節點數量也可以平滑擴容。理論上只要Spine節點的端口密度足夠高，這個Fabric可以接入數萬臺物理服務器。

另外，通過VXLAN隧道可以實現安全服務器節點的靈活接入。這些安全服務節點可以集中部署在一個指定區域，也可以靈活部署在任意Leaf節點下。通過Service Chain技術實現任意兩個虛擬機之間可以通過任意安全服務節點互聯。保證網絡中虛擬機業務的安全隔離和控制訪問。同理，Fabric的出口節點也可以部署在任意位置，可以靈活擴展。

簡而言之，VXLAN Fabric構建了一個靈活的、穩定的、可擴展的Overlay網絡。這個網絡可以有效地解決雲計算對網絡的挑戰，是雲計算網絡發展的趨勢。

 

參考鏈接：

1. GRE和VXLAN

2. https://plus.google.com/+KennethDuda/posts/2tnVCHkeVyZ

3. 百家：雲計算網絡，沒那麼簡單

4. 全融合網絡虛擬化技術

5. Overlay網絡與物理網絡的關係

 

本文中大部分圖片來自互聯網。

原文出處： http://www.cnblogs.com/sammyliu/p/4627230.html