【Docker】vxlan的原理与实验

VXLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟可扩展局域网），是一种虚拟化隧道通信技术。它是一种Overlay（覆盖网络）技术，通过三层的网络来搭建虚拟的二层网络。

VXLAN介绍

VXLAN是在底层物理网络（underlay）之上使用隧道技术，借助UDP层构建的Overlay的逻辑网络，使逻辑网络与物理网络解耦，实现灵活的组网需求。它对原有的网络架构几乎没有影响，不需要对原网络做任何改动，即可架设一层新的网络。也正是因为这个特性，很多容器的网络才会选择VXLAN作为通信网络。

VXLAN不仅支持一对一，也支持一对多，一个VXLAN设备能通过像网桥一样的学习方式学习到其他对端的IP地址，还可以直接配置静态转发表。

VXLAN基本概念

VNI（VXLAN Network Identifier，VXLAN网络标识符）：VXLAN通过VXLAN ID来标识，其长度为24比特。一般每个VNI对应一个租户，也就是说使用VXLAN理论上可以支撑千万级别的租户。
VTEP（VXLAN Tunnel End Point，VXLAN隧道端点）：VXLAN网络的边缘设备，用来进行VXLAN报文的处理（封包和解包）。VXLAN的相关处理都在VTEP上进行，例如识别以太网数据帧所属的VXLAN、基于VXLAN对数据帧进行二层转发、封装/解封装报文等。VTEP可以是一台独立的物理设备，也可以是虚拟机所在服务器的虚拟交换机。
VXLAN Tunnel：两个VTEP之间点到点的逻辑隧道。VTEP为数据帧封装VXLAN头、UDP头、IP头后，通过VXLAN隧道将封装后的报文转发给远端VTEP，远端VTEP对其进行解封装。隧道是一个逻辑上的概念，在VXLAN模型中并没有具体的物理实体向对应。隧道可以看做是一种虚拟通道，VXLAN通信双方认为自己是在直接通信，并不知道底层网络的存在。从整体来说，每个VXLAN网络像是为通信的虚拟机搭建了一个单独的通信通道，也就是隧道。

上图所示为VXLAN的工作模型，它创建在原来的IP网络（三层）上，只要是三层可达（能够通过IP相互通信）的网络就能部署 VXLAN。在VXLAN网络的每个端点都有一个VTEP设备，负责VXLAN协议报文的解包和封包，也就是在虚拟报文上封装VTEP通信的报文头部。

物理网络上可以创建多个VXLAN网络，可以将这些VXLAN网络看成一个隧道，不同节点上的虚拟机/容器能够通过隧道直连。通过VNI标识不同的VXLAN网络，使得不同的VXLAN可以相互隔离。

VXLAN的报文格式

VXLAN Header：在原始二层帧的前面增加8字节的VXLAN的头部，其中最主要的是VNID，占用3个字节（即24bit），类似VLAN ID，可以具有2^24个网段。

UDP Header：在VXLAN和原始二层帧的前面使用8字节UDP头部进行封装（MAC IN UDP），目的端口号缺省使用4789，源端口按流随机分配（通过MAC，IP，四层端口号进行hash操作），这样可以更好的做ECMP。

在上面添加的二层封装之后，再添加底层网络的IP头部（20 字节）和MAC头部（14 字节），这里的IP和MAC是宿主机的IP地址和 MAC地址。

VXLAN通讯过程

总的来说，VXLAN报文的转发过程就是：原始报文经过VTEP，被VTEP添加上VXLAN头部以及外层的UDP头部，再发送出去，对端 VTEP接收到VXLAN报文后拆除外层UDP头部，并根据VXLAN头部的VNI把原始报文发送到目的服务器。但这里有一个问题，第一次通信前双方如何知道所有的通信信息？这些信息包括：

哪些VTEP需要加到一个相同的VNI组？
发送方虚拟机怎么知道对方的MAC地址？
VTEP怎么知道目的虚拟机在哪一台宿主机上？

这三个问题可以归结为同一个问题：VXLAN网络怎么感知彼此的存在并选择正确的路径传输报文？

第一个问题简单，VTEP通常由网络管理员来配置。要回答后面两个问题，还得回到VXLAN协议的报文上，看看一个完整的VXLAN报文需要哪些信息：

内层报文：通信双方的IP地址已经明确，只需要VXLAN填充对方的MAC地址，因此需要一个机制来实现ARP功能。
VXLAN头部：只需要知道VNI。一般直接配置在VTEP上，要么提前规划，要么根据内层报文自动生成。
UDP头部：需要知道源端口和目的端口，源端口由系统自动生成，目的端口默认是4789。
IP头部：需要知道对端VTEP的IP地址，这个是最关键的部分。

实际上，VTEP也会有自己的转发表，转发表通过泛洪和学习机制来维护，对于目标MAC地址在转发表中不存在的未知单播，广播流量，都会被泛洪给除源VTEP外所有的VTEP，目标VTEP响应数据包后，源VTEP会从数据包中学习到MAC，VNI和VTEP的映射关系，并添加到转发表中，后续当再有数据包转发到这个MAC地址时，VTEP会从转发表中直接获取到目标VTEP地址，从而发送单播数据到目标VTEP。

点对点的VXLAN通信

点对点的VXLAN通信，在这个实验中使用两台虚拟机构成一个VXLAN网络，每台机器的网卡作为vtep，通过设置的ip互相通信。

主机规划：

node1：172.20.160.13/20
node2：172.20.161.221/20

实验结构图如下图所示。

对于，两台主机的网卡之间的通信，如果不使用vxlan，就需要设置路由表，此时两个网卡的ip不能是同一个网段。接下来，进行点对点的vxlan的通信。

在node1上创建一个名字为vxlan-ethd，类型为vxlan的网卡，后面是vxlan-ethd网卡需要的参数：

id 1：指定VNI的值，这个值可以在1到2^24之间
dstport：vtep通信的端口
remote 172.20.161.221：对方vtep的地址，类似于点对点协议
local 172.20.160.13：当前节点vtep要使用的IP地址

$ sudo ip link add vxlan-ethd type vxlan id 1 dstport 4789 remote 172.20.161.221 local 172.20.160.13

启动vxlan-ethd网卡并为其分配IP；

$ sudo ip link set vxlan-ethd up
$ sudo ip addr add 10.0.1.1/24 dev vxlan-ethd

在node2上也进行同样的操作：

$ sudo ip link add vxlan-ethd type vxlan id 1 dstport 4789 remote 172.20.160.13 local 172.20.161.221
$ sudo ip link set vxlan-ethd up
$ sudo ip addr add 10.0.1.2/24 dev vxlan-ethd

接下来，这两个位于不同虚拟机上的网卡就可以通过vxlan隧道进行通信了，在node1中尝试访问node2的10.0.1.2

$ ping -I 10.0.1.1 10.0.1.2 -c 3
PING 10.0.1.2 (10.0.1.2) from 10.0.1.1 : 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.0.1.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.899 ms
64 bytes from 10.0.1.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.934 ms
64 bytes from 10.0.1.2: icmp_seq=3 ttl=64 time=1.53 ms

--- 10.0.1.2 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 2022ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.899/1.124/1.539/0.293 ms

跨主机的容器通信

上面最简单的点对点VXLAN实验只是个简单的演示，没有太多实际工程意义，本节用容器通信来演示一个更加完整的场景。

场景描述：在node1和node2上各部署一个docker容器，默认情况下，一个容器宿主机上的容器能够直接用私网IP地址通信，因为它们利用一个网桥接在一起。而不同宿主机上的容器无法直接用私网IP地址通信。使用自建的vxlan网络接口，来打通不同宿主机上容器，让它们可以直接利用内网IP通信。

准备容器

在node1上创建app1容器，指定IP为172.18.0.2：

$ sudo docker network create --subnet 172.18.0.0/16 my-network
04a3be456f01099cb18818fa50804cc69a359ee77ba8d8d3e3bb12cf06e52434

$ sudo docker container run -d --rm --name app1 --network my-network --ip 172.18.0.2 busybox ping 8.8.8.8
c7fbfe06fb871d88d3fc9224636c25da78d61cf8aaa98b87df65403e771437be

在node2上创建app2容器，指定IP为172.18.0.3：

$ sudo docker network create --subnet 172.18.0.0/16 my-network
09fb688212d956ebbb5e775f8d8847d9cf2705c7ed96127dc411648383ba839f

$ sudo docker container run -d --rm --name app2 --network my-network --ip 172.18.0.3 busybox ping 8.8.8.8
745c98439680ecc9ef97b02aabda3dcc8fb19bd76f73b2e79d9134f858b17fbd

在node1中的容器app1上访问node2中的容器app2，和预期一致，是无法ping通的：

$ sudo docker container exec -it app1 ping -c 3 172.18.0.3
PING 172.18.0.3 (172.18.0.3): 56 data bytes

--- 172.18.0.3 ping statistics ---
3 packets transmitted, 0 packets received, 100% packet loss

创建VXLAN接口接入docker网桥

在两个容器宿主机上各创建一个VXLAN接口，并且将VXLAN接口接入docker网桥的端口上，如下图：

有了VXLAN接口的连接后，从node1上容器app1发出的包到达docker网桥后，可以从网桥的VXLAN接口出去，从而报文在VETP(VXLAN接口)处被封装成VXLAN报文，再从物理网络上到达对端VETP所在的主机node2。对端VTEP能正确解包VXLAN报文的话，随后即可将报文通过node2上的docker网桥送到上层的docker容器app2中。

在node1上配置如下：

$ sudo ip link add vxlan_docker type vxlan id 200 remote 172.20.161.221 dstport 4789 dev eth0

$ sudo ip link set vxlan_docker up

$ sudo brctl addif br-04a3be456f01 vxlan_docker

在node2上配置如下：

$ sudo ip link add vxlan_docker type vxlan id 200 remote 172.20.160.13 dstport 4789 dev eth0

$ sudo ip link set vxlan_docker up

$ sudo brctl addif br-09fb688212d9 vxlan_docker

此时再在node1中的容器app1上访问node2中的容器app2，结果如下，ping可以通。

$ sudo docker container exec -it app1 ping -c 3 172.18.0.3
PING 172.18.0.3 (172.18.0.3): 56 data bytes
64 bytes from 172.18.0.3: seq=0 ttl=64 time=1.841 ms
64 bytes from 172.18.0.3: seq=1 ttl=64 time=0.562 ms
64 bytes from 172.18.0.3: seq=2 ttl=64 time=1.615 ms

--- 172.18.0.3 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.562/1.339/1.841 ms

FDB表

FDB（Forwarding Database entry，即转发表）是Linux网桥维护的一个二层转发表，用于保存远端虚拟机/容器的MAC地址，远端VTEP IP，以及VNI的映射关系，可以通过bridge fdb命令来对FDB表进行操作：

$ sudo bridge fdb
02:42:ac:12:00:03 dev vxlan_docker master br-e4fbde69f952
ca:d7:ea:37:0a:b2 dev vxlan_docker vlan 1 master br-e4fbde69f952 permanent
ca:d7:ea:37:0a:b2 dev vxlan_docker master br-e4fbde69f952 permanent
00:00:00:00:00:00 dev vxlan_docker dst 172.20.161.221 via eth0 self permanent
02:42:ac:12:00:03 dev vxlan_docker dst 172.20.161.221 self
33:33:00:00:00:01 dev br-e4fbde69f952 self permanent
01:00:5e:00:00:01 dev br-e4fbde69f952 self permanent
02:42:f7:03:fb:17 dev br-e4fbde69f952 vlan 1 master br-e4fbde69f952 permanent
02:42:f7:03:fb:17 dev br-e4fbde69f952 master br-e4fbde69f952 permanent