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        云計(jì)算背景下VXLAN技術(shù)的應(yīng)用

        2019-07-29 00:41:36張少芳劉延鋒
        無線互聯(lián)科技 2019年9期
        關(guān)鍵詞:虛擬機(jī)報(bào)文云計(jì)算

        張少芳 劉延鋒

        摘? ?要:在云計(jì)算的背景下,服務(wù)器的虛擬化對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)遷移能力提出了非常高的要求。文章分析了當(dāng)前非常典型的一種網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)—VXLAN技術(shù),通過在三層IP網(wǎng)絡(luò)之上建立基于數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯隧道,使數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)能夠穿越網(wǎng)絡(luò)層的承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞,實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)跨三層網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)遷移,有效地提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率以及對(duì)硬件資源的利用率。

        關(guān)鍵詞:云計(jì)算;虛擬機(jī);SDN;VXLAN;報(bào)文

        1? ? VXLAN技術(shù)的引入

        作為云計(jì)算中非常重要的一種核心技術(shù),服務(wù)器虛擬化憑借其低成本、靈活的業(yè)務(wù)部署等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可和部署。通過使用服務(wù)器的虛擬化技術(shù),一臺(tái)物理上的服務(wù)器就能夠虛擬出多臺(tái)邏輯上的虛擬機(jī),從而在邏輯上使主機(jī)的數(shù)量實(shí)現(xiàn)量級(jí)的增長(zhǎng)[1]。但是服務(wù)器虛擬化在滿足云計(jì)算需求的同時(shí),也給虛擬網(wǎng)絡(luò)帶來了諸多問題,主要有以下3個(gè)方面。

        1.1? 虛擬機(jī)的遷移范圍受到網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)的限制

        虛擬機(jī)遷移在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中是一種必然的需求,目的在于虛擬機(jī)在跨物理服務(wù)器遷移時(shí)保障網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不中斷,這就要求在遷移的整個(gè)過程中虛擬機(jī)的IP地址以及MAC地址都必須保持不變。因此,虛擬機(jī)的承載網(wǎng)絡(luò)必須是一個(gè)工作于數(shù)據(jù)鏈路層的二層網(wǎng)絡(luò),使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)模被限制在一定的范圍內(nèi),無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化的高度擴(kuò)展性。

        1.2? 虛擬機(jī)的規(guī)模受到網(wǎng)絡(luò)規(guī)格限制

        在二層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)流量的轉(zhuǎn)發(fā)路徑需要通過在交換設(shè)備上查詢MAC地址來確定。因此,交換設(shè)備上的“端口與MAC地址映射表”的大小就決定了云計(jì)算數(shù)據(jù)中心中虛擬機(jī)規(guī)模的上限。由于受到交換設(shè)備內(nèi)存大小的限制,MAC表項(xiàng)一般都比較小,限制了虛擬機(jī)的數(shù)量。

        1.3? 租戶網(wǎng)絡(luò)的隔離能力受限

        目前網(wǎng)絡(luò)中的鏈路隔離主要使用虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network,VLAN)技術(shù)來實(shí)現(xiàn),該技術(shù)在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署中存在非常大的局限性。一方面,由于數(shù)據(jù)封裝中VLAN ID字段的長(zhǎng)度只有12比特,可用VLAN的數(shù)量只有4 094個(gè)(VLAN0和VLAN4095不可用),這對(duì)于大型的云數(shù)據(jù)中心或云計(jì)算中心來說顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求的。另一方面,目前VLAN主要通過靜態(tài)配置的方式來實(shí)現(xiàn),出于易于配置的考慮,一般需要在中繼鏈路上將所有VLAN設(shè)置為允許通過,這就使廣播報(bào)文會(huì)被泛洪到整個(gè)網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)帶寬被無限制地消耗,降低網(wǎng)絡(luò)交換的性能。

        針對(duì)上述問題,本研究引入了虛擬擴(kuò)展區(qū)域網(wǎng)(Virtual eXtensible Local Area Network,VXLAN)技術(shù),VXLAN技術(shù)是VLAN的一種擴(kuò)展方案,使用了“MAC in UDP”的數(shù)據(jù)封裝方式,是一種基于三層IP網(wǎng)絡(luò)的虛擬化技術(shù)。它對(duì)于上述問題給出了很好的解決方法。

        (1)針對(duì)虛擬機(jī)的遷移范圍受到網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)限制的問題,通過VXLAN能夠構(gòu)建一個(gè)邏輯上的大二層網(wǎng)絡(luò),以保證在遷移時(shí)可以保持虛擬機(jī)的IP地址和MAC地址不發(fā)生變化。

        (2)針對(duì)虛擬機(jī)規(guī)模受到網(wǎng)絡(luò)規(guī)格限制的問題,首先,VXLAN將虛擬機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)包使用UDP協(xié)議進(jìn)行封裝,然后再使用物理網(wǎng)絡(luò)的IP地址和MAC地址分別進(jìn)行封裝,外部網(wǎng)絡(luò)只能看到封裝后的外層物理網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。因此,二層網(wǎng)絡(luò)對(duì)于MAC地址規(guī)格的要求得到了非常大的降低。

        (3)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)隔離能力受限的問題,VXLAN引入了一種類似于VLAN ID的用戶標(biāo)識(shí),稱為VXLAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)VNI(VXLAN Network ID),其長(zhǎng)度由VLAN ID的12比特?cái)U(kuò)展到了24比特,可以支持的VXLAN段數(shù)量多達(dá)16 M,對(duì)租戶的標(biāo)識(shí)能力得到極大的擴(kuò)展[2]。

        2? ? ?VXLAN的基本原理

        VXLAN通過“MAC in UDP”的封裝在邏輯上實(shí)現(xiàn)了對(duì)二層網(wǎng)絡(luò)的延伸,是一種典型的對(duì)大二層虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展的隧道封裝技術(shù)。在大二層的網(wǎng)絡(luò)中,引入了軟件定義網(wǎng)(Software Defined Network,SDN)控制器來對(duì)虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制以及部署。SDN控制器通過使用OpenFlow協(xié)議將信息下發(fā)給SDN的轉(zhuǎn)發(fā)器,來實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一維護(hù)和管理[3],VXLAN結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

        圖1中涉及的概念具體如下。

        (1)控制器:位于SDN的控制面,負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)路徑進(jìn)行計(jì)算和管理。

        (2)轉(zhuǎn)發(fā)器:SDN的轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備,接收來自控制器的指令并對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)進(jìn)行處理。

        (3)OpenFlow協(xié)議:SDN框架中的具體實(shí)現(xiàn)協(xié)議,定義了SDN中控制器與轉(zhuǎn)發(fā)器之間的通信。控制器通過OpenFlow協(xié)議把控制指令發(fā)送給轉(zhuǎn)發(fā)器。

        (4)OpenFlow流表:是轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)。轉(zhuǎn)發(fā)器具體根據(jù)流表中的記錄匹配并對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文執(zhí)行記錄給出的相應(yīng)動(dòng)作。

        (5)網(wǎng)絡(luò)虛擬邊緣節(jié)點(diǎn)(Network Virtualization Edge,NVE):具體用來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體。

        (6)虛擬接入點(diǎn)(Virtual Access Point,VAP):用于數(shù)據(jù)報(bào)文的接入。為二層的邏輯子接口配置不同的流封裝,就可以實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)報(bào)文到不同二層子接口的接入。

        (7)VXLAN隧道端點(diǎn)(VXLAN Tunnel Endpoints,VTEP):封裝在網(wǎng)絡(luò)虛擬邊緣節(jié)點(diǎn)里,用來對(duì)VXLAN的報(bào)文進(jìn)行封裝以及解封裝。VTEP分配有相應(yīng)物理網(wǎng)絡(luò)的IP地址。在VXLAN的報(bào)文中,本節(jié)點(diǎn)的VTEP地址作為報(bào)文的源IP地址,對(duì)端節(jié)點(diǎn)的VTEP地址作為報(bào)文的目的IP地址,一對(duì)VTEP地址對(duì)應(yīng)一個(gè)VXLAN的Tunnel。

        (8)VXLAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)(VXLAN Network Identifier,VNI):作用與VLAN ID類似,用來對(duì)不同的VXLAN段進(jìn)行區(qū)分,一個(gè)VNI表示一個(gè)租戶[4]。

        3? ? VXLAN的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程

        VXLAN中數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖2所示。

        (1)Switch_1接收來自終端A的數(shù)據(jù)報(bào)文,然后根據(jù)所接收?qǐng)?bào)文的接入端口以及其所屬VLAN信息獲取相應(yīng)的二層廣播域信息。另外,還需要判斷報(bào)文的目的MAC地址是否是已知的單播MAC地址。如果是,再判斷是否為本機(jī)的MAC地址:是本機(jī)的MAC地址,上送主機(jī)進(jìn)行處理;不是本機(jī)的MAC地址,則在對(duì)應(yīng)的二層廣播域內(nèi)對(duì)報(bào)文進(jìn)行廣播,并進(jìn)入第(2)步。

        (2)Switch_1上的VTEP根據(jù)查找到的出接口和VXLAN封裝信息對(duì)報(bào)文進(jìn)行VXLAN的封裝以及轉(zhuǎn)發(fā)。

        (3)Switch_2上的VTEP收到來自于Switch_1的VXLAN報(bào)文后,根據(jù)報(bào)文中的UDP目的端口號(hào)、源IP地址、目的IP地址以及VNI的值來判斷VXLAN報(bào)文是否合法有效。然后依據(jù)VNI獲取對(duì)應(yīng)的二層廣播域,解封裝VXLAN報(bào)文,獲取內(nèi)層的二層數(shù)據(jù)報(bào)文,判斷報(bào)文的目的MAC地址是否是已知單播報(bào)文的MAC地址。如果是,在對(duì)應(yīng)的二層廣播域內(nèi)查找出接口以及VLAN封裝信息,并進(jìn)入第(4)步。如果不是,則需要再判斷是否是本機(jī)的MAC地址:是本機(jī)的MAC地址,上送主機(jī)進(jìn)行處理;不是本機(jī)的MAC地址,則進(jìn)入廣播和未知—單播和多播(Broadcast&Unknown- unicast&Multicast,BUM)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)流程。

        (4)Switch_2根據(jù)查找到的出接口和封裝信息,為報(bào)文添加相應(yīng)的VLAN標(biāo)識(shí),并將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給最終的目的主機(jī),即終端B[5]。

        4? ? 結(jié)語

        VXLAN技術(shù)通過在原始數(shù)據(jù)報(bào)文的外部增加VXLAN封裝的方式,在三層IP網(wǎng)絡(luò)中建立數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯隧道,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邏輯上的扁平化,使數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)報(bào)文可以穿越三層IP網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移,有效提高云計(jì)算背景下數(shù)據(jù)中心硬件資源利用率以及網(wǎng)絡(luò)管理的效率。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1]華為公司.HCNP-R&S-IENP教材[EB/OL].(2019-04-25)[2019-05-10].http://support.huawei.com/learning/Certificate!showCertificate?lang=zh&pbiPath=term1000025451&id=Node1000004373.

        [2]劉廣紅,孟祥春.基于SDN和VXLAN的云網(wǎng)一體化專線方案探討[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù),2018(8):46-50.

        [3]張屆新,吳志明.基于VXLAN組網(wǎng)的云數(shù)據(jù)中心互聯(lián)方案[J].電信科學(xué),2016(12):122-128.

        [4]鐘耿輝,唐加山.基于VXLAN的EVPN技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2017(5):46-50.

        [5]王永建,張健,張富根,等.基于VXLAN的云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)研究[J].通信技術(shù),2017(1):78-83.

        Abstract:In the background of cloud computing, server virtualization puts forward very high requirements for data migration ability of traditional networks. As a very typical network virtualization technology at present, VXLAN technology allows data link layer data to pass through the carrying network of the network layer by establishing a logical tunnel based on the data link layer on the three-layer IP network. Thus, the dynamic migration of virtual machine across the three-layer network is realized, which effectively improves the data transmission efficiency and the utilization of hardware resources.

        Key words:cloud computing; virtual machine; SDN; VXLAN; message

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