傳統的區域網路分割技術，虛擬區域網路（VLAN），一直是企業網路的主流標準。VLAN 透過在 IEEE 802.1Q 幀中插入一個 12 位元的 VLAN ID（VID）來達成邏輯隔離，這在當時的網路環境下足以應付大多數需求。然而，隨著雲端運算與超大規模資料中心的興起，VLAN 的局限性開始顯現，主要體現在以下幾個維度。
首先是擴展性的瓶頸。由於 12 位元的限制，VLAN 在單一網路域中最多僅能提供 4,096 個獨立網段。對於像 AWS、Azure 或現代多租戶電信雲（Telco Cloud）而言，4,000 個標籤遠遠不足以支撐成千上萬的獨立租戶或虛擬機環境。其次是二層網路的擴展困難。VLAN 的運作依賴於生成樹協定（Spanning Tree Protocol, STP）來防止環路，但 STP 會導致網路中一半的鏈路處於阻塞狀態，造成嚴重的資源浪費，且在鏈路故障時的收斂速度極慢，無法滿足現代應用對高可用性的要求 。
VXLAN 作為一種基於三層網路（Layer 3）的二層疊加（Layer 2 Overlay）技術，正是為了徹底解決上述問題而生。透過將二層乙太網幀封裝在三層 UDP 數據包中，VXLAN 不僅將標籤空間擴展到了 24 位元（支援超過 1,600 萬個網段），更讓二層網路得以跨越物理上的路由邊界進行延伸。
理解 VXLAN 的運作必須從其封裝結構（Encapsulation）入手。VXLAN 採用的是一種名為MAC-in-UDP的隧道機制。其運作邏輯是在原始的二層幀外層，依次封裝 VXLAN 標頭、UDP 標頭、IP 標頭以及外層的乙太網標頭 。
數據平面與 VTEP 節點
在 VXLAN 架構中，負責進行封裝與解封裝（En-capsulation/De-capsulation）的硬體或軟體實體被稱為虛擬隧道終端點（VXLAN Tunnel Endpoint, VTEP）。VTEP 具有兩個介面：一個是面向伺服器或虛擬機的本地介面，用於接收原始的二層流量；另一個是面向核心網路的 IP 介面，用於發送封裝後的隧道數據。
當本地主機發送一個幀時，進入 VTEP 的本地介面，VTEP 會根據預先定義好的對應關係（VLAN to VNI Mapping），查找到對應的虛擬網路識別碼（Virtual Network Identifier, VNI）。隨後，VTEP 會查詢控制平面（如 BGP-EVPN）來確定遠端 VTEP 的 IP 地址，並完成封裝工作 。
VXLAN 封裝是為原始數據包增加固定的 50 位元組（或 54 位元組，若包含外層 VLAN 標籤）的額外開銷 。這一開銷對網路傳輸的效率有著直接影響，特別是在 MTU（最大傳輸單元）的規劃上。
| 標頭層級 | 長度（Bytes | 關鍵欄位與功能 |
|---|---|---|
| 外層乙太網標頭 (Outer Ethernet) | 14 | 包含外層源/目的 MAC 地址，引導包在物理交換機間跳轉。 |
| 外層 IP 標頭 (Outer IP) | 20 | 包含 VTEP 的 IP 地址，負責三層路由轉發。 |
| 外層 UDP 標頭 (Outer UDP) | 8 | 目的端口固定為 4789（IANA 標準）；源端口通常由內部流哈希決定，以支援 ECMP。 |
| VXLAN 標頭 (VXLAN Header) | 8 | 包含 24 位元的 VNI（VXLAN Network Identifier）標誌位。 |
| 原始 L2 幀 (Inner Ethernet Frame) | 64 - 1500+ | 原始的二層數據，包含 VM 的 MAC 和 IP 資訊。 |
這種封裝方式外層 UDP 的源端口（Source Port）選擇。為了在三層網路中實現負載平衡，VTEP 會對原始幀的內部欄位（如五元組）進行哈希運算，並將結果映射到 UDP 源端口。這樣，物理網路中的中間交換機就可以利用現有的等價多路徑（ECMP）技術，在不拆包的情況下實現流量的負載均衡，這正是 VXLAN 比起傳統二層延伸技術更具優勢的原因之一 。
VLAN 與 VXLAN 的技術差異深度對比
| 比較維度 | VLAN (IEEE 802.1Q) | VXLAN (RFC 7348) |
|---|---|---|
| 識別空間 | 12 位元 (4,096 ID) | 24 位元 (1,677 萬 VNI) |
| 運作層次 | 數據鏈路層 (Layer 2) | 傳輸層之上 (Layer 2 Overlay over Layer 3) |
| 防環機制 | Spanning Tree Protocol (STP) - 阻塞部分鏈路 | Layer 3 路由 (OSPF/BGP) - 支援 ECMP 全線速轉發 |
| 擴展性 | 局限於單一二層廣播域 | 可跨越機架、資料中心甚至地理區域擴展 |
| 封裝開銷 | 4 位元組 (Tagging) | 50-54 位元組 (Tunneling) |
| 管理複雜度 | 較低，適合中小型企業網路 | 較高，需配合 EVPN 等控制平面技術 |
本實驗拓樸如下
在 Cumulus 中可用 Single VXLAN Device，一組 VNI 代表單個設備模型。單個 VXLAN 設備具有一組屬於 VXLAN 構造的屬性。各個 VNI 包括 VLAN 到 VNI 的映射，您可以指定哪些 VLAN 映射到關聯的 VNI。單台VXLAN設備通過單台VXLAN設備替代多台傳統VXLAN設備，簡化了配置，降低了開銷。
VXLAN 路由(inter-VXLAN)提供覆蓋網路(overlay networks)中 VXLAN VNI 之間的 IP 路由。Cumulus Linux 使用內部標頭或覆蓋租戶 IP 位址來路由流量。本實驗會進行封包標頭觀察。
本實驗會透過 Static VXLAN 簡化小規模網路的配置邏輯。在實驗配置中 leaf01 與 leaf02 之間定義了明確點對點宣告，關鍵字是 head-end-replication，ˋ這表示不需要透過複雜的動態協定如 BGP、EVPN 等，而是直接告訴 leaf01: 如果收到 VLAN 10 或 20 的廣播封包，請直接複製一份給 2.2.2.2（leaf02），這就是手動映射。
在傳統網路中，如果要在兩台交換機之間延伸 10 個 VLAN，通常需要建立一個 Trunk 埠，並在中間所有的中間節點（Spine）上都允許這 10 個 VLAN 通過。實驗中 Spine01 完全不需要知道 VLAN 10 或 VLAN 20 的存在，只讓他有基本 L3 路由功能，保證 VTEP 之間的聯通。因此，無論之後在 Leaf 之間新增多少個 VLAN（VNI），只要 VTEP 之間的 L3 路由是通的，你就不需要去改動 Spine01 的配置。
本實驗可以得知以下概念:
nvidia | nvue | VXLAN
nvidia | nvue | VXLAN Devices
nvidia | nvue | Static VXLAN Tunnels
下一章節進行實作~~
iThome鐵人賽
看影片追技術