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专题
2020/6/5 16:23

电信云网络VxLAN改造需求的分析和实践

邮电设计技术  史庭祥,田会芹

本文版权为《邮电设计技术》所有,如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部

摘 要:

随着5G建设周期来临,电信云网络进入大规模部署阶段,VxLAN和SDN成为解决多租户和多DC组网的必备技术。目前业界提供以物理交换机EVPN为核心的硬件VTEP方案以及以虚拟化技术为核心的软件VTEP方案。以VLAN平滑演进到VxLAN为切入点,比较了2种方案的优劣,提出了平滑改造方法,并阐述了相关过程。

关键词:云计算;VxLAN;电信云;虚拟化;SDN

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2020.05.017

研究背景

起初的数据中心服务于电信网络的互联网业务,包括基于互联网方式的、用户访问数据中心的互联网业务服务器,以及数据中心的服务器通过路由器访问到互联网,这2类流量统称为南北向流量。相应的,数据中心采用传统三层交换机组网,主要用于疏通南北向流量。该数据中心的设备包括:接入层交换机,即TOR(Top of Rack)交换机,提供物理服务器的接入功能;汇聚层交换机,即 Spine 交换机,对接入层交换机提供数据二层汇聚;Border交换机,即DC-GW,提供跨汇聚和三层交换功能,并作为南北向流量的转发出口。这样设计数据中心的目的是使接入层的二层流量在Spine交换机汇聚,汇聚层通过三层交换在汇聚和Border层之间实现高速转发。

随着云计算和虚拟化技术的发展,应用层网元和业务的跨服务器和虚拟数据中心等更加灵活的部署需求使得数据中心的设计者更加关注东西向流量。东西向流量一般是指数据中心内部、跨内部交换机网络的流量,也包括跨数据中心的流量,也就是说,各种业务和服务要基于大二层环境来部署。

传统的VLAN的作用是将大的广播域隔开成多个小的广播域,减少处理广播包和ARP包的CPU等资源消耗,域内可以直接通信,域间必须通过三层路由转发。虚拟化网络也需要使用 VLAN 构建更多的 IP 子网,即在现有网络架构上创建虚拟局域网,用12 bit的VLAN ID 表示网段名,网段数量被限制在 4 096 个以内,这是传统 VLAN 不足以支撑大二层网络的第 1 点原因。第 2 点原因是传统 TOR 交换机存储的 MAC 地址数受限。虚拟化网络的业务需要跨多个物理节点部署,这使得二层交换需要存储更多的 MAC 地址,大量的东西向流量导致 MAC 表项增加。还有一点和虚拟化网络发展密切相关的是,当虚拟网络功能(VNF)的不同组件分布在不同的物理节点、不同的数据中心(DC)或虚拟数据中心(VDC)时,需要在三层网络之上叠加二层网络,以便延续业务原有的通信机制,并满足虚拟机迁移等虚拟化网络的新需求。

那么,为什么VxLAN技术能解决这些问题呢?作为一种大二层的虚拟网络技术,它的技术原理是引入UDP格式的外层隧道(MAC in UDP),作为数据的链路层,既解决 VLAN 的规模限制问题(VxLAN Header 的VNI,即 VxLAN 网络标识,VLAN规模受限于该标识的容量),又通过打包原有数据报文,使其作为隧道净荷在二三层网络中传送。通过 VxLAN 技术,将二层 VxLAN 标记封装于三层数据包,通过路由转发,实现数据中心间的二层互联。由此可见,尽管 VxLAN 和VLAN 都是二层网络服务,但 VxLAN 比 VLAN 更具灵活性。

a)VxLAN基于共享网络设施,提供扩展二层网段的可靠解决方案,使多租户的载荷可以在数据中心内跨物理节点传输,并为多租户提供业务隔离功能。

b)VxLAN 使用 24 位的 VNI 标识符,扩展 VLANID,消除原有的数量限制。

c)VxLAN数据包基于三层报头,完整地利用三层路由协议优化可用路径选择,如引入三层IP组播来代替以太网广播。

虚拟化网络进入SDN阶段,需要紧密结合VxLAN技术。VxLAN端点通过学习对端地址,保留它的二层协议特征,依靠组播消息发现和获取主机信息,包括IP地址、MAC地址、VNI等,导致数据中心存在大量的泛洪流量。为统一控制和简化管理,VxLAN网络需要独立的控制平面收集和管理设备上线信息,自动搭建和拆除VxLAN隧道以及规划网络环境。而随着5G和边缘计算等业务兴起,传统虚拟化网络技术难以满足云网协同、高性能转发、资源节点的边缘化等方面的需求,SDN正是当前的最佳选择。VxLAN 网络有 SDNController 后,就可以向 SDN 单播获取这些信息,避免大量的组播流量浪费带宽和性能。同时,VxLAN有自学习功能,当收到的UDP报文不是来自已知虚拟机的数据时,VxLAN隧道节点会记录该虚拟机的VNI、IP地址和MAC地址的对应关系,减少组播消息需求。

不仅如此,SDN 能通过 SNMPv3 自动发现网络设备,可以利用 Netconf 协议下发配置和流表,控制网络设备的转发面,同时还能通过北向接口提供API,向云平台开放可编程接口。SDN的这些功能使得基于 VxLAN技术的SDN网络既可控,又具有灵活性。

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