在以往IT建設中，硬件服務器上運行的是虛擬層的計算，物理網絡為了與虛擬服務器對接，需要網絡自己進行調整，以便和新的計算層對接（如圖1所示）。Overlay是在傳統網絡上虛擬出一個虛擬網絡來，傳統網絡不需要在做任何適配，這樣物理層網絡只對應物理層的計算（物理機、虛擬化層管理網），虛擬的網絡只對應虛擬計算（虛擬機的業(yè)務IP），如圖2所示。
圖1 物理網絡引入數據中心技術來適配虛擬計算
圖2 物理網絡通過承接虛擬網絡來適配虛擬計算
Overlay的技術路線，其實是從架構上對數據中心的建設模式進行了顛覆，對物理設備的要求降至最低，業(yè)務完全定義在層疊網絡上。那么，這是否意味著將來數據中心使用Overlay網絡不需要硬件支持而只需要軟件定義就足夠了呢？答案無疑是否定的。
以下討論Overlay網絡與物理網絡的依存關系。由于VXLAN（Virtual eXtensible LAN）技術是當前最為主流的Overlay標準，以下VXLAN技術為代表進行具體描述。
1. 報文的封裝與解封裝
VXLAN的核心在于承載于物理網絡上的隧道技術，這就意味著要對報文進行封裝和解封裝，因此需要硬件來加速處理。
在VXLAN網絡中，用于建立VXLAN隧道的端點設備稱為VTEP（VXLAN Tunneling End Point，VXLAN隧道終結點），封裝和解封裝在VTEP節(jié)點上進行。
在云數據中心，部分業(yè)務是不適合進行虛擬化的（如小機服務器，高性能數據庫服務器），這些服務器會直接與物理交換機互聯，而他們又必須與對應租戶/業(yè)務的VXLAN網絡互通，此時就必須要求與其互聯的硬件交換機也能支持VXLAN協議，以接入VXLAN網絡。
圖3 Overlay網絡的三種構建模式
考慮到服務器接入的可以是虛擬交換機，也可以是物理交換機，因此存在三種不同的構建模式（如圖3所示）：其中網絡Overlay方案中，所有終端均采用物理交換機作為VTEP節(jié)點；主機Overlay方案中，所有終端均采用虛擬交換機作為VTEP節(jié)點；混合Overlay方案中，既有物理交換機接入，又有虛擬交換機接入，且軟件VTEP和硬件VTEP之間可以基于標準協議互通。
在網絡Overlay方案和混合Overlay方案中，都需要有物理交換機設備支持VXLAN協議棧，并能與虛擬交換機構建的VTEP互通。由于在實際組網環(huán)境中，服務器種類很多，高吞吐高性能要求的業(yè)務一般都采用單獨物理服務器甚至小機的硬件環(huán)境，而非虛擬化的x86服務器，這就沒法使用vSwitch來接入VXLAN網絡，只能讓支持VXLAN的物理交換機來接入了。
2. 組播協議傳播
VXLAN網絡的MAC表與隧道終端的綁定關系要用組播協議傳播，而大規(guī)格組播協議離不開物理網絡設備的支持。
按照VXLAN的標準，每一個VTEP都需要了解其接入的終端MAC地址，同時還需要知道整網（該VXLAN實例中）其他VTEP下所有的終端MAC地址。只有這樣，在本地的VTEP收到報文后需要轉發(fā)時，才能根據目的MAC查詢到需要送到遠端的目的VTEP那里。
按照IETF中對VXLAN網絡的定義，負責在網絡中傳播MAC地址和VTEP對應關系的機制，正是依托于物理網絡中的組播協議。VTEP將本地的MAC地址表利用組播協議在整個組播中傳播，從而使得整網中所有組播成員，也就是其他VTEP都知道本地的MAC地址表。當VTEP下的終端接入情況有所更改，如新增了MAC地址或者減少了MAC地址，也需要利用組播協議通知同一個實例下的所有VTEP。另外，當本地VTEP找不到目的MAC處于哪一個遠端VTEP時，也需要發(fā)送組播報文來查找目的MAC主機所屬的遠端VTEP。
圖4 多個VTEP通過物理網絡組播傳遞MAC表信息
如圖4所示，多個VTEP需要在整網中傳遞VTEP下MAC地址信息，邏輯傳遞路線如綠色虛線所示。由于需要進行邏輯上的Full-Mesh連接，連接邏輯線路會達到N平方量級，因此實際組網中，VXLAN利用了物理網絡的組播組，在建立好的組播組中加入VXLAN中所有VTEP成員，傳遞VTEP變更信息。在多用戶多業(yè)務情況下，組播組要求與VXLAN數量息息相關。由于VXLAN網絡規(guī)模的不斷拓展（最大可達到16M個VXLAN網絡），所需要的組播條目數會不斷增加，這實際上對于物理網絡承載組播處理能力和規(guī)格提出了要求。
由于標準VXLAN架構下使用組播協議，對物理網絡組播數規(guī)格要求較大，因此H3C VXLAN解決方案基于SDN架構，通過引入全網的SDN Controller來實現VXLAN的管理和維護，使得VTEP之間的信息可以通過Controller來進行反射（如圖5所示）。這樣，VTEP的MAC地址表映射關系不再通過組播向全網其他VTEP傳達，而是統一上報給控制器，由控制器統一下發(fā)給需要接受此消息的其他VTEP，由具體的VTEP執(zhí)行轉發(fā)機制。
圖5 多個VTEP通過SDN Controller傳遞MAC表信息
可見，在SDN架構下，硬件形態(tài)的VTEP需要能夠支持集中控制器下發(fā)的業(yè)務控制信息，同時基于Openflow進行流表轉發(fā)。而傳統硬件交換機不能支持上述特性，必須由新硬件設備來執(zhí)行和完成的。
3. VXLAN網絡互通
在傳統L2網絡中，報文跨VLAN轉發(fā)，需要借助三層設備來完成不同VLAN之間的互通問題。VXLAN網絡與傳統網絡、以及VXLAN網絡的互通，必須有網絡設備的支持。
VXLAN網絡框架中定義了兩種網關單元。
VXLAN三層網關。用于終結VXLAN網絡，將VXLAN報文轉換成傳統三層報文送至IP網絡，適用于VXLAN網絡內服務器與遠端終端之間的三層互訪；同時也用作不同VXLAN網絡互通。如圖6所示，當服務器訪問外部網絡時，VXLAN三層網關剝離對應VXLAN報文封裝，送入IP網絡；當外部終端訪問VXLAN內的服務器時，VXLAN根據目的IP地址確定所屬VXLAN及所屬的VTEP，加上對應的VXLAN報文頭封裝進入VXLAN網絡。VXLAN之間的互訪流量與此類似，VXLAN網關剝離VXLAN報文頭，并基于目的IP地址確定所屬VXLAN及所屬的VTEP，重新封裝后送入另外的VXLAN網絡。
圖6 VXLAN網絡通過三層網關與傳統網絡互連
VXLAN二層網關。用于終結VXLAN網絡，將VXLAN報文轉換成對應的傳統二層網絡送到傳統以太網絡，適用于VXLAN網絡內服務器與遠端終端或遠端服務器的二層互聯。如在不同網絡中做虛擬機遷移時，當業(yè)務需要傳統網絡中服務器與VXLAN網絡中服務器在同一個二層中，此時需要使用VXLAN二層網關打通VXLAN網絡和二層網絡。如圖7所示，VXLAN 10網絡中的服務器要和IP網絡中VLAN100的業(yè)務二層互通，此時就需要通過VXLAN的二層網關進行互聯。VXLAN10的報文進入IP網絡的流量，剝掉VXLAN的報文頭，根據VXLAN的標簽查詢對應的VLAN網絡（此處對應的是VLAN100），并據此在二層報文中加入VLAN的802.1Q報文送入IP網絡；相反VLAN100的業(yè)務流量進入VXLAN也需要根據VLAN獲知對應的VXLAN網絡編號，根據目的MAC獲知遠端VTEP的IP地址，基于以上信息進行VXLAN封裝后送入對應的VXLAN網絡。
圖7 VXLAN網絡通過二層網關與傳統二層網絡互通
可見，無論是二層還是三層網關，均涉及到查表轉發(fā)、VXLAN報文的解封裝和封裝操作。從轉發(fā)效率和執(zhí)行性能來看，都只能在物理網絡設備上實現，并且傳統設備無法支持，必須通過新的硬件形式來實現。
結束語
Overlay由于其簡單、一致的解決問題方法，加上重新定義的網絡可以進行軟件定義，已經成為數據中心網絡最炙手可熱的技術方案。然而，它并不是一張完全由軟件定義的網絡，Overlay網絡解決方案必定是一種軟硬結合的方案，無論是從接入層VTEP混合組網的組網要求、組播或SDN控制層協議的支持，還是VXLAN網絡與傳統網絡的互通來看，都需要硬件積極的配合和參與，必須構建在堅實和先進的物理網絡架構基礎上……
