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数据中心网络里的Underlay和Overlay

近几年,随着云计算、大数据、移动互联网等新技术的普及,部署大量虚拟机成为一种必然趋势。不过,虚拟机需要在网络中无限制地迁移到目的物理位置,在传统数据中心网络中几乎无法满足,这样虚拟机在迁移范围上要受到网络架构限制,在规模上要受网络规格限制,网络隔离和分离能力也制约着虚拟机的大批量部署,解决这些虚拟机迁移问题理想的方案是在传统单层网络(Underlay)基础上叠加(Overlay)一层逻辑网络,将网络分成两个组成部分。在 Underlay网络中,所有的转发行为都由控制器决定,控制器通过OpenFlow协议或者定制的BGP协议将转发表项下发给转发器,转发器仅仅执行动作,没有单独的控制面;而在Overlay网络中,这种网络的转发器一般都是传统设备,不支持OpenFlow,或者私有定制协议不能部署,这时就要用到隧道技术。基础网络还是传统网络形式,通过路由协议打通各个节点,但是在服务器接入点,采用隧道技术将数据报文进行封装或者解封装。对传统网络来说见到的就是普通的数据报文,转发即可。隧道技术实际上就是报文的马甲,迷惑网络设备,让设备以为是自己人,实际上在外表以下还有一个真实转发的内容。

Underlay网络

以太网从最开始设计出来就是一个分布式网络,没有中心的控制节点,网路中的各个设备之间通过协议传递的方式学习网络的可达信息,由每台设备自己决定要如何转发,这直接导致了没有整体观念,不能从整个网络的角度对流量进行调控。由于要完成所有网络设备之间的互通,就必须使用通用的语言,这就是网络协议,RFC就是网络协议的法律,相当于国际法,各个设备供应商遵从国际法行事,就基本保证了整个网络世界的正常运行。Underlay就是当前数据中心网路基础转发架构的网络,只要数据中心网络上任意两点路由可达即可,指的是物理基础层。我们可以通过物理网络设备本身的技术改良、扩大设备数量、带宽规模等完善Underlay网络,其包含了一切现有的传统网络技术。

Overlay网络

Overlay在网络技术领域,是一种网络架构上叠加的虚拟化技术模式,其大体框架是对基础网络不进行大规模修改的条件下,实现应用在网络上的承载,并能与其它网络业务分离。它是建立在已有网络上的虚拟网,用逻辑节点和逻辑链路构成了Overlay网络。Overlay网络是具有独立的控制和转发平面,对于连接在Overlay边缘设备之外的终端系统来说,物理网络是透明的。通过部署Overlay网络,可以实现物理网络向云和虚拟化的深度延伸,使云资源池化能力可以摆脱物理网络的重重限制,是实现云网融合的关键。Overlay网络也是一个网络,不过是建立在Underlay网络之上的网络。Overlay网络的节点通过虚拟的或逻辑的链接进行通信,每一个虚拟的或逻辑的链接对应于Underlay网络的一条路径(Path),由多个前后衔接的链接组成。

Overlay技术可以分为网络Overlay,主机Overlay和混合式Overlay三大类。网络Overlay是指通过控制协议对边缘的网络设备进行网络构建和扩展,也就是本文所讲的Overlay网络技术。Overlay网络技术多种多样,一般采用TRILL、VxLan、GRE、NVGRE等隧道技术。TRILL(Transparent Interconnection of Lots of Links)技术是电信设备厂商主推的新型环网技术;NVGRE(Network Virtualization using Generic Routing Encapsulation)和STT(Stateless Transport Tunneling Protocol)是IT厂商主推的Overlay技术;以及大家非常熟悉的VXLAN(Virtual eXtensible LAN)等基于隧道的封装技术。由于这些也都是新增的协议,均需要升级现有网络设备才能支持。Overlay网络中应用部署的位置将不受限制,网络设备可即插即用、自动配置下发,自动运行,Overlay网络业务变化,基础网络不感知,并对传统网络改造极少,最为重要的是虚拟机和物理服务器都可以接入Overlay网络中。

Overlay网络和Underlay网络是相互独立的,Overlay网络使用Underlay网络点对点传递报文,而报文如何传递到Overlay网络的目的节点完全取决于Underlay网络的控制平面和数据平面,报文在Overlay网络入和出节点的处理(如丢弃,转发)则完全由Overlay网络的封装协议来决定。既然是隧道技术,就需要在原有报文的基础增加一些报文头,这无疑会增加网络转发负担,要多传递一些“无用”字节报文,会降低网路性能,Underlay方式才是数据中心网络发展的终极形式。还有Overlay网络并没有完全的与物理网络解耦合,仍然需要在服务器和网络设备上做大量的人工配置,Overlay网络的部署在可维护性上不是减少,反而是增加了运维的负担。Overlay网络和Underlay网络实际上并不是什么新鲜概念,比如在传统网络中,L3VPN、灵活QINQ、MACinMAC等功能都是隧道技术,这些协议的作用和Overlay的实现作用非常类似,只不过Overlay所用到的新协议考虑更多的是虚拟机迁移、移动性,新协议定义内容更加丰富和合理而已。Overlay网络技术充分考虑到了数据中心网络的现实问题,现有的网络很难一下子切换到SDN网络,网络完全由控制器和Underlay网络构成,转发平面与控制平面完全解耦。Overlay网络就可以充分利用现有的物理网络,完全虚拟出一张逻辑网络,这样完全可以满足虚拟机在网络里任意迁移的目的,又不会浪费现有的网络资源,是在SDN网络和传统网络之间做出的一种折衷方案,网络的未来必要还是Underlay加控制器的方案。

将数据中心网络分为Underlay和Overlay两个部分,是在数据中心虚拟化的大背景下产生的,虽然目前Overlay网络更为重要,但是也需要Underlay网络,而且Underlay网络必不可少,在相当长的一段时间内,两种网络形式将长期并存。随着SDN技术的成熟,Overlay网络也许会慢慢退出历史舞台,完全由控制器接管网络。

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