四種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡虛擬化技術對比

網(wǎng)絡虛擬化技術允許在共享的物理網(wǎng)絡基礎設施上創(chuàng)建多個虛擬網(wǎng)絡。它將邏輯網(wǎng)絡與底層物理網(wǎng)絡解耦，為組織提供了更多的網(wǎng)絡管理靈活性和可擴展性。通過抽象網(wǎng)絡資源，網(wǎng)絡虛擬化可以有效利用基礎設施、降低成本并簡化網(wǎng)絡配置。

伴隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的二層組網(wǎng)結構出現(xiàn)了階段性的架構變化，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡分為了Underlay和Overlay兩個部分，網(wǎng)絡進入了Overlay虛擬化階段。Overlay將虛擬網(wǎng)絡封裝在現(xiàn)有的物理網(wǎng)絡基礎設施中，提供了一個抽象層，允許虛擬網(wǎng)絡獨立于Underlay物理網(wǎng)絡運行。此方法使組織能夠在共享相同的物理基礎設施的情況下，創(chuàng)建隔離且邏輯上獨立的網(wǎng)絡。

適用于網(wǎng)絡虛擬化的大部分協(xié)議基本上都是利用封裝和隧道技術來創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡覆蓋的。其中業(yè)界討論最多的協(xié)議包括VXLAN、NVGRE、STT和SPB MAC-in-MAC。

1不同類型的虛擬化技術對比

VXLAN：虛擬可擴展局域網(wǎng)

VXLAN (Virtual eXtensible LAN，可擴展虛擬局域網(wǎng)絡) 是一種Internet 標準重疊網(wǎng)絡虛擬化技術，它提供了一種在 IP（第 3 層）網(wǎng)絡上封裝以太網(wǎng)（第 2 層）幀的方法，通過實現(xiàn)更高的可擴展性和靈活性來解決傳統(tǒng) VLAN 的局限性。

VXLAN技術將已有的三層網(wǎng)絡作為Underlay網(wǎng)絡，在其上構建出虛擬的二層網(wǎng)絡，即Overlay網(wǎng)絡。Overlay網(wǎng)絡通過封裝技術、利用Underlay網(wǎng)絡提供的三層轉發(fā)路徑，實現(xiàn)租戶二層報文跨越三層網(wǎng)絡在不同站點間傳遞。對于租戶來說，Underlay網(wǎng)絡是透明的，同一租戶的不同站點就像工作在一個局域網(wǎng)中。構成數(shù)據(jù)中心架構的基礎設施，比如數(shù)據(jù)中心交換機，基本上都有VXLAN虛擬協(xié)議，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)虛擬化。

雖然 VXLAN 只是眾多虛擬網(wǎng)絡或隧道技術中的一種，但它比其他技術更好地解決了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的幾個擴展挑戰(zhàn)。由于這些優(yōu)勢，用于云計算的現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡架構通常將基于穩(wěn)健路由協(xié)議（例如BGP）的“scale-out”IP (L3) leaf-spine Underlay與基于 VXLAN 的Overlay相結合，如下圖所示。

| L3 Underlay和VXLAN Overlay的可擴展數(shù)據(jù)中心架構

VXLAN 的工作原理

虛擬機發(fā)送數(shù)據(jù)包到虛擬網(wǎng)絡。

虛擬交換機（VSwitch）接收數(shù)據(jù)包，并將其封裝為 VXLAN 數(shù)據(jù)包。

封裝后的 VXLAN 數(shù)據(jù)包在物理網(wǎng)絡上進行傳輸。

目標虛擬交換機接收 VXLAN 數(shù)據(jù)包，并解封裝以還原原始數(shù)據(jù)包。

原始數(shù)據(jù)包交付給目標虛擬機。

NVGRE：使用通用路由封裝的網(wǎng)絡虛擬化

與 VXLAN 類似，NVGRE 是一種Overlay網(wǎng)絡虛擬化技術，允許在第 3 層網(wǎng)絡上創(chuàng)建虛擬第 2 層網(wǎng)絡。不過VXLAN采用的是標準傳輸協(xié)議，即TCP/UDP協(xié)議；而NVGRE采用的是通用路由封裝協(xié)議，即GRE協(xié)議。此外，前者由思科驅動，后者由微軟支持。

NVGRE 使用封裝技術將第 2 層幀封裝在 IP 數(shù)據(jù)包中，從而實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡跨物理邊界的擴展。它提供增強的網(wǎng)絡隔離和可擴展性，適用于多租戶環(huán)境。

NVGRE 支持類似于 VXLAN 的 24 位網(wǎng)段 ID 或VSID，提供多達 1600 萬個可以唯一標識給定網(wǎng)段的虛擬網(wǎng)段，但其數(shù)據(jù)包使用了GRE報頭的低24位作為租戶網(wǎng)絡識別符（TNI）。為了提供描述帶寬利用率粒度的流，傳輸網(wǎng)絡需要使用GRE頭，這導致NVGRE不能兼容傳統(tǒng)負載均衡。

NVGRE封裝（上）與VXLAN封裝（下）

NVGRE 的工作原理

虛擬機發(fā)送數(shù)據(jù)包到虛擬網(wǎng)絡。

虛擬交換機接收數(shù)據(jù)包，并在 GRE 頭中封裝原始數(shù)據(jù)包。

封裝后的數(shù)據(jù)包在物理網(wǎng)絡上進行傳輸。

目標虛擬交換機接收數(shù)據(jù)包，并解封裝以還原原始數(shù)據(jù)包。

原始數(shù)據(jù)包交付給目標虛擬機。

STT：無狀態(tài)傳輸隧道

STT 是一種在網(wǎng)絡堆棧傳輸層運行的網(wǎng)絡虛擬化協(xié)議，是在數(shù)據(jù)中心2層/3層物理網(wǎng)絡上創(chuàng)建2層虛擬網(wǎng)絡的又一種Overlay技術。STT 專注于為虛擬網(wǎng)絡流量提供輕量級且靈活的封裝機制。STT 使用輕量級標頭封裝數(shù)據(jù)包，從而允許跨虛擬網(wǎng)絡進行高效的網(wǎng)絡通信。它被設計為無狀態(tài)的，簡化了網(wǎng)絡操作并提高了性能。

STT隧道

STT 的設計是有特定原因的，專門解決以太網(wǎng)幀大小與Underlay物理網(wǎng)絡支持的最大傳輸單元 (MTU) 不匹配的問題。大多數(shù)終端主機操作系統(tǒng)將 MTU 值設置為較小的值，以便整個幀加上任何附加（Overlay）封裝可以通過物理網(wǎng)絡進行傳輸。

STT 的工作原理

虛擬機發(fā)送數(shù)據(jù)包到虛擬網(wǎng)絡。

虛擬交換機接收數(shù)據(jù)包，并在頭部中記錄數(shù)據(jù)包的狀態(tài)和路徑信息。

數(shù)據(jù)包在物理網(wǎng)絡中傳輸。

目標虛擬交換機接收數(shù)據(jù)包，并使用頭部中的信息進行流量控制和處理。

SPBM：最短路徑橋接 MAC-in-MAC

SPBM 是一種網(wǎng)絡虛擬化技術，利用 MAC-in-MAC 封裝來創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡。它提供了一種可擴展且高效的方法來在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中構建和管理虛擬網(wǎng)絡。SPBM使用分布式控制平面動態(tài)分配MAC地址并管理網(wǎng)絡轉發(fā)，促進高效的流量路由和負載平衡。

SPBM 通過將核心簡化為基于單個以太網(wǎng)的鏈路狀態(tài)協(xié)議（以集成模型提供所有虛擬化服務），消除了網(wǎng)絡核心中對多個Overlay協(xié)議的需求。SPBM 使用 IS-IS 來發(fā)現(xiàn)和通告網(wǎng)絡拓撲，這使其能夠計算到 SPBM 網(wǎng)絡中所有節(jié)點的最短路徑。SPBM 使用 IS-IS 最短路徑樹來填充每個參與節(jié)點的各個 B-MAC 地址的轉發(fā)表。

SPBM 的工作原理

虛擬機發(fā)送數(shù)據(jù)包到虛擬網(wǎng)絡。

SPBM 引擎根據(jù)預先配置的策略，將數(shù)據(jù)包傳送到目標虛擬機所在的虛擬網(wǎng)絡。

數(shù)據(jù)包在物理網(wǎng)絡上進行傳輸。

目標虛擬機接收數(shù)據(jù)包。

2數(shù)據(jù)中心不同類型虛擬化的優(yōu)勢

網(wǎng)絡虛擬化使組織能夠快速適應不斷變化的網(wǎng)絡需求，并更有效地部署應用程序。每種不同類型的虛擬化都提供了網(wǎng)絡設計和可伸縮性方面的靈活性，確保企業(yè)能夠滿足其不斷變化的需求。

增強靈活性

網(wǎng)絡虛擬化可以按需創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)靈活的資源分配和配置。

提高可擴展性

通過將邏輯網(wǎng)絡與物理基礎設施解耦，網(wǎng)絡虛擬化允許網(wǎng)絡資源的無縫擴展。使用Overlay可以創(chuàng)建多個虛擬網(wǎng)絡，而無需重新配置物理網(wǎng)絡。這種可擴展性在資源需求變化很大的數(shù)據(jù)中心環(huán)境中尤其重要。無論是 VXLAN、NVGRE、STT 還是 SPBM，每種虛擬化技術都提供了應對不斷擴展的網(wǎng)絡需求所需的可擴展性。

增強安全性和隔離性

網(wǎng)絡虛擬化提供虛擬網(wǎng)絡之間的隔離，增強了安全性并防止未經(jīng)授權的訪問。通過不同類型的虛擬化，企業(yè)可以建立具有自己的安全策略和控制的單獨虛擬網(wǎng)絡。這種隔離可確保每個虛擬網(wǎng)絡內的流量和數(shù)據(jù)保持私有并受到保護。

簡化管理

管理復雜的網(wǎng)絡基礎設施可能具有挑戰(zhàn)性，但網(wǎng)絡虛擬化簡化了這個流程。通過抽象底層物理基礎設施，組織可以集中控制和配置虛擬網(wǎng)絡。這種集中管理簡化了網(wǎng)絡配置、配置更改和故障排除。

成本效率

虛擬化網(wǎng)絡可以通過優(yōu)化資源利用率顯著節(jié)省成本。虛擬化不是為每個網(wǎng)段配備專用硬件，而是允許網(wǎng)絡資源的池化和共享。這意味著企業(yè)可以提高物理基礎設施的利用率，從而減少資本和運營支出。

審核編輯：湯梓紅