Đồ án: Mô phỏng công nghệ VXLAN trên mô hình kiến trúc mạng Spine-Leaf

Đồ án tốt nghiệp mô phỏng công nghệ VXLAN trên kiến trúc Spine-Leaf. Giải pháp tối ưu hóa và mở rộng mạng cho trung tâm dữ liệu hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Đức Linh
• Người hướng dẫn: TS.
• Trường học: Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
• Chuyên ngành: Viễn thông
• Đề tài: Mô Phỏng Công Nghệ Vxlan Trên Mô Hình Kiến Trúc Mạng Spine-Leaf
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TÌM HIỀU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ VXLAN
• 1.1. Nguyên nhân ra đời của Vxlan?
• 1.1.1. Vlan truyền thống
• 1.1.2. Một số ưu điểm của Vxlan
• 1.2. Định nghĩa Vxlan
• 1.3. Định dạng gói tin Vxlan
• 1.4. Các thành phần và hoạt động của Vxlan
• 1.5. Nguyên lý họat động của VXLAN
• 1.6. Lưu lượng gói tin VXLAN Unicast
• 1.7. Flood and learn Vxlan
• 1.8. Underlay và Overlay network
• 1.8.1. Một số công nghệ Overlay network
• 1.8.2. So sánh Underlay Network và Overlay Network
• 1.9. Giao thức Vxlan BGP EVPN
• 1.9.1. Giới thiệu về BGP
• 1.9.2. MP-BGP EVPN
• 1.9.3. BGP EVPN nâng cao
• 1.9.4. Sự phát triển của BGP EVPN Vxlan
• 2. CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC SPINE-LEAF TRONG DATA CENTER
• 2.1. Tổng quan về Data Center
• 2.1.1. Khái niệm Data Center
• 2.1.2. Thách thức và yêu cầu của Data Center
• 2.2. Giao thức sử dụng trong Data Center
• 2.2.1. Giao thức Spanning Tree Protocol
• 2.2.2. Virtual Port Channels
• 2.3. Kiến trúc Spine-leaf
• 2.3.1. Tại sao cần sử dụng mô hình Spine-leaf
• 2.3.2. Sự phát triển của Data Center
• 2.3.3. Sự phát triển của Trung tâm dữ liệu với Vxlan
• 2.3.4. Dự phòng trong mô hình Spine-leaf
• 2.3.5. Truyền lưu lượng mô hình spine-leaf
• 2.3.6. Mạng Cisco MSDC Layer 3 spine-and-leaf
• 2.3.7. Quản lý kết cấu và tự động hóa của Trung tâm dữ liệu
• 2.3.8. Layer 3 routing function
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VXLAN TRÊN MÔ HÌNH SPINE-LEAF
• 3.1. Mục đích bài lab
• 3.2. Các bước cấu hình và Show kết quả
• 3.3. Kết luận chương 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án tốt nghiệp VXLAN trên kiến trúc Spine Leaf

Bài viết này phân tích sâu về nội dung cốt lõi của đồ án tốt nghiệp đại học đề tài mô phỏng công nghệ VXLAN trên mô hình kiến trúc mạng Spine-Leaf. Đây là một đề tài mang tính thời sự và thực tiễn cao, giải quyết các thách thức của mạng trung tâm dữ liệu (Data Center) hiện đại. Sự phát triển mạnh mẽ của ảo hóa, điện toán đám mây và Big Data đã khiến kiến trúc mạng 3 lớp truyền thống (Core-Distribution-Access) trở nên cồng kềnh và thiếu linh hoạt. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về băng thông và khả năng mở rộng, thế giới đang chuyển dịch sang mô hình kiến trúc Spine-Leaf kết hợp với công nghệ VXLAN và giao thức điều khiển BGP EVPN. Đồ án tập trung nghiên cứu lý thuyết, phân tích ưu điểm và xây dựng một mô hình mô phỏng mạng EVE-NG để kiểm chứng hoạt động của giải pháp này. Mục tiêu là cung cấp một cái nhìn toàn diện, từ nguyên nhân ra đời của VXLAN, cấu trúc gói tin, cho đến cách thức triển khai một data center network fabric hiệu suất cao. Nghiên cứu này không chỉ là một báo cáo đồ án tốt nghiệp thông thường mà còn là tài liệu tham khảo giá trị cho các kỹ sư mạng và sinh viên ngành mạng máy tính muốn tìm hiểu về công nghệ ảo hóa mạng (network virtualization) tiên tiến. Việc phân tích các thành phần như VTEP (VXLAN Tunnel Endpoint) và VNI (VXLAN Network Identifier), kết hợp với việc so sánh ưu nhược điểm so với VLAN truyền thống, tạo nên nền tảng vững chắc cho việc tiếp cận và làm chủ công nghệ.

1.1. Bối cảnh và sự cần thiết của đề tài mô phỏng VXLAN

Sự bùng nổ của các dịch vụ đám mây và ứng dụng phân tán đã làm thay đổi hoàn toàn bản chất của lưu lượng trong trung tâm dữ liệu. Thay vì luồng traffic North-South (client-server) truyền thống, luồng traffic East-West (server-to-server) hiện chiếm tỷ trọng lớn, đòi hỏi một kiến trúc mạng có độ trễ thấp và băng thông cực lớn. Mô hình 3 lớp cũ với giao thức Spanning Tree (STP) bộc lộ nhiều nhược điểm như chặn các liên kết dự phòng, gây thắt cổ chai băng thông và khả năng mở rộng kém. Đề tài mô phỏng công nghệ VXLAN trên mô hình kiến trúc mạng Spine-Leaf ra đời như một giải pháp tất yếu để giải quyết các vấn đề này, đáp ứng yêu cầu về một mạng linh hoạt, hiệu quả và có khả năng mở rộng gần như không giới hạn. Nghiên cứu này mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn, cung cấp cơ sở lý luận và kinh nghiệm triển khai cho các hệ thống mạng thế hệ mới.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đồ án tốt nghiệp

Mục tiêu chính của đồ án là tìm hiểu sâu về giải pháp công nghệ VXLAN và cách nó hoạt động trên kiến trúc Spine-Leaf. Đồ án đặt ra các nhiệm vụ cụ thể: phân tích hạn chế của VLAN, định nghĩa và làm rõ các thành phần của VXLAN như mạng overlay và mạng underlay, cơ chế đóng gói, và vai trò của VTEP và VNI. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng một bài lab mô phỏng trên phần mềm EVE-NG, cấu hình các thiết bị switch ảo (ví dụ: Cisco Nexus) để triển khai một mạng hoàn chỉnh. Qua mô hình mô phỏng, đồ án sẽ phân tích luồng dữ liệu, kiểm tra kết nối và làm nổi bật các ưu điểm của công nghệ mới, đặc biệt là khi kết hợp với giao thức điều khiển BGP EVPN. Kết quả nghiên cứu là một bộ tài liệu hướng dẫn chi tiết, từ lý thuyết đến thực hành, phục vụ cho mục đích học tập và triển khai thực tế.

II. Thách thức mạng Data Center Hạn chế của VLAN truyền thống

Các trung tâm dữ liệu hiện đại đối mặt với nhiều thách thức lớn, đặc biệt là về khả năng mở rộng và quản lý. Hạn chế lớn nhất của mạng truyền thống đến từ công nghệ VLAN. Theo chuẩn IEEE 802.1Q, không gian định danh của VLAN chỉ giới hạn ở 4094 IDs. Con số này là không đủ cho các môi trường đa người thuê (multi-tenant) quy mô lớn như trong các nhà cung cấp dịch vụ đám mây. Một vấn đề khác là sự phụ thuộc vào Giao thức Spanning Tree (STP) để ngăn chặn vòng lặp ở Lớp 2. STP, mặc dù cần thiết, lại vô hiệu hóa các đường dẫn dự phòng, làm lãng phí một nửa băng thông và gây ra thời gian hội tụ chậm khi có sự cố. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của luồng traffic East-West, vốn yêu cầu độ trễ thấp và nhiều đường dẫn song song. Hơn nữa, VLAN về bản chất là một công nghệ Lớp 2, khiến việc mở rộng một phân đoạn mạng qua nhiều vị trí địa lý khác nhau (kéo dài Lớp 2 qua Lớp 3) trở nên phức tạp và thiếu hiệu quả. Những hạn chế này thúc đẩy sự ra đời của một giải pháp ảo hóa mạng mới, có khả năng vượt qua rào cản của VLAN, và đó chính là VXLAN. Việc so sánh VXLAN và VLAN cho thấy rõ sự vượt trội của công nghệ mới trong việc cung cấp khả năng mở rộng, tính linh hoạt và hiệu suất cho các mạng trung tâm dữ liệu thế hệ tiếp theo.

2.1. Phân tích sự bùng nổ của luồng traffic East West

Trong các ứng dụng hiện đại như microservices, Big Data (Hadoop), và di chuyển máy ảo (VM migration), các máy chủ cần liên tục trao đổi dữ liệu với nhau. Dòng lưu lượng này được gọi là luồng traffic East-West. Trong kiến trúc 3 lớp truyền thống, lưu lượng này thường phải đi lên lớp Distribution hoặc Core rồi mới đi xuống máy chủ đích, tạo ra độ trễ không cần thiết và gây tắc nghẽn tại các lớp cao hơn. Kiến trúc Spine-Leaf được thiết kế để tối ưu hóa cho loại traffic này. Mọi switch Leaf chỉ cách nhau đúng hai bước nhảy (Leaf-Spine-Leaf), đảm bảo độ trễ thấp và có thể dự đoán được. Bằng cách loại bỏ sự phụ thuộc vào STP và sử dụng định tuyến Lớp 3 với ECMP (Equal-Cost Multi-Path), tất cả các liên kết đều được sử dụng đồng thời, cung cấp băng thông tối đa và khả năng phục hồi lỗi cao.

2.2. Giới hạn của 4094 VLAN ID và giao thức Spanning Tree

Giới hạn 12-bit của VLAN ID, tương đương 4094 VLANs, là một rào cản lớn cho khả năng mở rộng trong các mạng trung tâm dữ liệu đa khách hàng. Mỗi khách hàng có thể yêu cầu hàng chục hoặc hàng trăm VLAN, khiến không gian địa chỉ nhanh chóng cạn kiệt. VXLAN giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng một định danh mạng 24-bit, được gọi là VNI (VXLAN Network Identifier), cung cấp tới hơn 16 triệu phân đoạn mạng riêng biệt. Về phần STP, cơ chế chặn cổng của nó để ngăn vòng lặp là một sự lãng phí tài nguyên nghiêm trọng. Trong mô hình Spine-Leaf, các liên kết giữa Spine và Leaf được cấu hình ở Lớp 3, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu về STP ở lớp lõi. Thay vào đó, các giao thức định tuyến OSPF hoặc BGP được sử dụng để xây dựng mạng underlay, cho phép tận dụng tất cả các đường dẫn thông qua ECMP, tăng cường băng thông và khả năng chịu lỗi.

III. Giải pháp kiến trúc Spine Leaf Tối ưu hiệu năng đồ án

Kiến trúc Spine-Leaf là một cuộc cách mạng trong thiết kế mạng trung tâm dữ liệu, thay thế cho mô hình 3 lớp đã lỗi thời. Cấu trúc liên kết này dựa trên mạng Clos hai tầng, bao gồm một lớp các switch Spine (lõi) và một lớp các switch Leaf (truy cập). Nguyên tắc thiết kế rất đơn giản nhưng hiệu quả: mỗi switch Leaf kết nối với mọi switch Spine trong mạng, và không có kết nối trực tiếp giữa các switch Leaf hoặc giữa các switch Spine. Máy chủ, tường lửa và các thiết bị đầu cuối khác được kết nối vào các switch Leaf. Thiết kế này tạo ra một data center network fabric có độ trễ thấp và có thể dự đoán, vì lưu lượng giữa hai máy chủ bất kỳ (trừ khi chúng trên cùng một Leaf) chỉ cần đi qua một switch Spine. Điều này đảm bảo rằng khoảng cách mạng luôn là hai bước nhảy. Một trong những ưu điểm của Spine-Leaf là khả năng mở rộng vượt trội. Để tăng băng thông, chỉ cần thêm switch Spine. Để tăng số lượng cổng kết nối, chỉ cần thêm switch Leaf. Kiến trúc này loại bỏ sự phức tạp của STP ở lớp lõi bằng cách sử dụng định tuyến Lớp 3. Việc triển khai các giao thức định tuyến BGP hoặc OSPF cho phép sử dụng tất cả các liên kết đồng thời thông qua cơ chế ECMP, tối đa hóa băng thông và cung cấp khả năng phục hồi lỗi nhanh chóng. Đây là nền tảng lý tưởng để xây dựng đồ án tốt nghiệp về mạng hiện đại.

3.1. Nguyên lý hoạt động và thiết kế của kiến trúc Spine Leaf

Mô hình kiến trúc Spine-Leaf được xây dựng dựa trên hai thành phần chính. Switch Leaf đóng vai trò là điểm truy cập, kết nối trực tiếp với các máy chủ và thiết bị đầu cuối. Switch Spine hoạt động như một bộ khung (backbone) của mạng, kết nối tất cả các switch Leaf lại với nhau. Kết nối full-mesh giữa Leaf và Spine tạo ra một mạng lưới non-blocking. Để xây dựng mạng underlay, người ta thường sử dụng định tuyến Lớp 3. Mỗi liên kết giữa Leaf và Spine là một kết nối điểm-điểm Lớp 3. Giao thức định tuyến OSPF hoặc eBGP được cấu hình để các switch có thể học đường đi đến nhau. Nhờ vậy, mọi đường dẫn đều có chi phí bằng nhau, cho phép ECMP phân phối lưu lượng một cách hiệu quả, tránh tắc nghẽn và tăng khả năng chịu lỗi.

3.2. So sánh ưu điểm của Spine Leaf và kiến trúc 3 lớp cũ

So với kiến trúc 3 lớp truyền thống, ưu điểm của Spine-Leaf là rất rõ ràng. Về hiệu năng, Spine-Leaf cung cấp độ trễ thấp và nhất quán, lý tưởng cho luồng traffic East-West. Về khả năng mở rộng, việc thêm thiết bị vào mô hình Spine-Leaf dễ dàng hơn nhiều và không yêu cầu thiết kế lại toàn bộ mạng. Về khả năng phục hồi, sự cố của một switch Spine chỉ làm giảm một phần nhỏ băng thông tổng thể chứ không gây gián đoạn dịch vụ, trong khi sự cố của một switch Leaf chỉ ảnh hưởng đến các máy chủ kết nối với nó. Kiến trúc 3 lớp bị giới hạn bởi STP, lãng phí tài nguyên và hội tụ chậm. Ngược lại, Spine-Leaf với định tuyến Lớp 3 và ECMP tận dụng 100% tài nguyên mạng và phục hồi gần như tức thì. Đây là lý do tại sao nó trở thành tiêu chuẩn cho các mạng trung tâm dữ liệu hiện đại.

IV. Phương pháp mô phỏng công nghệ VXLAN và giao thức BGP EVPN

Để hiện thực hóa các phân đoạn mạng Lớp 2 trên một hạ tầng Lớp 3 của kiến trúc Spine-Leaf, công nghệ VXLAN (Virtual Extensible LAN) được sử dụng. VXLAN là gì? Đây là một công nghệ mạng overlay, thực hiện việc đóng gói (encapsulation) toàn bộ một khung Ethernet Lớp 2 vào bên trong một gói tin UDP Lớp 3. Quá trình này tạo ra một đường hầm ảo giữa các điểm cuối gọi là VTEP (VXLAN Tunnel Endpoint), thường được tích hợp ngay trên các switch Leaf. Mỗi phân đoạn mạng VXLAN được xác định bởi một VNI (VXLAN Network Identifier) 24-bit, cho phép tạo ra hơn 16 triệu mạng Lớp 2 riêng biệt, giải quyết triệt để hạn chế của VLAN. Để quản lý việc học địa chỉ MAC và quảng bá thông tin trong mạng overlay, một giao thức control plane hiệu quả là cần thiết. BGP EVPN (Ethernet VPN) chính là giải pháp tiêu chuẩn cho nhiệm vụ này. Nó sử dụng phần mở rộng của giao thức BGP để quảng bá thông tin địa chỉ MAC và IP của các máy chủ cuối giữa các VTEP. Thay vì cơ chế flood-and-learn tốn nhiều tài nguyên của VXLAN truyền thống, BGP EVPN cho phép các VTEP học thông tin của nhau một cách chủ động, giảm thiểu lưu lượng broadcast không cần thiết và tối ưu hóa việc chuyển tiếp dữ liệu. Cấu hình VXLAN kết hợp BGP EVPN là phương pháp cốt lõi trong đồ án tốt nghiệp này.

4.1. Giải thích mạng Overlay Underlay và các thành phần VXLAN

Mạng Underlay là cơ sở hạ tầng vật lý, trong trường hợp này là kiến trúc Spine-Leaf với định tuyến IP. Nhiệm vụ của nó là đảm bảo kết nối IP giữa tất cả các VTEP. Mạng Overlay là mạng ảo được xây dựng bên trên mạng underlay, sử dụng VXLAN để tạo các kết nối Lớp 2 logic. Các thành phần chính bao gồm: VTEP, là điểm bắt đầu và kết thúc của đường hầm VXLAN, chịu trách nhiệm đóng gói và giải đóng gói gói tin; và VNI, là định danh duy nhất cho mỗi mạng Lớp 2 ảo. Khi một máy chủ gửi một khung tin, VTEP tại switch Leaf nguồn sẽ đóng gói nó với VXLAN header (chứa VNI) và IP header (chứa địa chỉ IP của VTEP nguồn và đích), sau đó gửi qua mạng underlay. VTEP đích nhận gói tin, giải đóng gói và chuyển khung tin gốc đến máy chủ đích.

4.2. Vai trò của BGP EVPN trong việc kiểm soát mạng VXLAN

BGP EVPN đóng vai trò là control plane, thay thế cho cơ chế flood-and-learn thiếu hiệu quả. Khi một máy chủ kết nối vào switch Leaf, VTEP sẽ học địa chỉ MAC và IP của nó. Thông tin này (MAC/IP binding) sau đó được quảng bá đến các VTEP khác thông qua các bản tin cập nhật BGP. Nhờ đó, tất cả các VTEP đều có một bảng ánh xạ đầy đủ về vị trí của các máy chủ trong mạng overlay. Khi cần gửi dữ liệu, VTEP nguồn chỉ cần tra cứu bảng này để tìm ra VTEP đích và gửi gói tin unicast trực tiếp, thay vì phải broadcast ra toàn mạng. BGP EVPN cũng hỗ trợ các tính năng nâng cao như ARP suppression (giảm lưu lượng ARP broadcast) và cổng anycast phân tán, giúp tối ưu hóa định tuyến và tăng cường tính di động của máy ảo.

V. Hướng dẫn mô phỏng VXLAN trên EVE NG và kết quả thực tiễn

Việc hiện thực hóa lý thuyết là bước quan trọng nhất trong một đồ án tốt nghiệp, và mô phỏng mạng EVE-NG (Emulated Virtual Environment Next Generation) là công cụ lý tưởng cho mục đích này. EVE-NG cho phép tạo ra các topo mạng phức tạp bằng cách sử dụng các image máy ảo của những thiết bị mạng thực tế như Cisco Nexus, Arista switches, hay các router khác. Quá trình mô phỏng công nghệ VXLAN trên mô hình kiến trúc mạng Spine-Leaf bao gồm nhiều bước cấu hình chi tiết. Đầu tiên là xây dựng mạng underlay, thiết lập định tuyến IP giữa các switch Spine và Leaf bằng giao thức định tuyến OSPF hoặc eBGP. Bước tiếp theo là cấu hình mạng overlay. Điều này bao gồm việc kích hoạt tính năng VXLAN, tạo các VNI tương ứng với từng phân đoạn mạng, định nghĩa các giao diện VTEP (thường là loopback interface) và cấu hình BGP EVPN để trao đổi thông tin control plane. Sau khi hoàn tất cấu hình, các kịch bản kiểm thử sẽ được thực hiện, ví dụ như kiểm tra kết nối giữa các máy ảo trong cùng một VNI và khác VNI, phân tích đường đi của gói tin bằng các công cụ bắt gói, và đánh giá hiệu quả của các tính năng như ARP suppression. Kết quả mô phỏng phải chứng minh được rằng mô hình hoạt động đúng như lý thuyết, thể hiện rõ các ưu điểm của Spine-Leaf và VXLAN.

5.1. Các bước xây dựng topo và cấu hình VXLAN trên EVE NG

Để bắt đầu mô phỏng mạng GNS3 hoặc EVE-NG, cần chuẩn bị các image thiết bị phù hợp. Topo được xây dựng gồm 2 switch Spine và 2-4 switch Leaf. Các bước cấu hình cơ bản bao gồm: (1) Cấu hình IP và định tuyến OSPF/BGP cho mạng underlay trên tất cả các switch để đảm bảo các VTEP có thể thấy nhau. (2) Cấu hình BGP EVPN: thiết lập phiên BGP giữa các switch Leaf và Spine (Spine đóng vai trò route reflector). (3) Cấu hình VXLAN: kích hoạt feature nv overlay và feature bgp, tạo các VNI và ánh xạ chúng với các VLAN tương ứng, cấu hình giao diện NVE (Network Virtualization Edge) với VTEP là địa chỉ loopback. (4) Cấu hình các cổng kết nối xuống máy chủ ảo. Việc kiểm tra bằng các lệnh show như show nve peers, show bgp l2vpn evpn summary, show mac address-table là rất quan trọng để xác thực cấu hình.

5.2. Phân tích kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng

Sau khi cấu hình, kết quả mô phỏng được phân tích để đánh giá. Kết quả thành công được thể hiện qua việc các máy chủ trong cùng VNI có thể ping thấy nhau, dù chúng được kết nối vào các switch Leaf khác nhau. Lưu lượng giữa các VNI khác nhau được định tuyến một cách chính xác. Phân tích gói tin cho thấy rõ cấu trúc đóng gói của VXLAN, với IP header bên ngoài và khung Ethernet gốc bên trong. Bảng BGP trên các switch Leaf sẽ hiển thị các tuyến EVPN Type-2 (MAC/IP Advertisement), chứng tỏ control plane hoạt động hiệu quả. Đánh giá hiệu năng có thể so sánh độ trễ và băng thông với mô hình truyền thống (nếu có thể mô phỏng song song). Kết quả này là minh chứng thực tiễn cho các luận điểm đã nêu trong báo cáo đồ án tốt nghiệp, khẳng định tính ưu việt của giải pháp VXLAN trên kiến trúc Spine-Leaf.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tìm hiểu giải pháp công nghệ VXLAN any-to-any giữa tất cả các thiết bị. Nhờ đó, các thiết bị có thể truyền các giao thức báo hiệu sử dụng cho mạng Overlay. Các giao thức Underlay phổ biến trong mạng DC EVPN/VXLAN thường thấy là eBGP hoặc OSPF.

Overlay network là thuật ngữ chỉ cách thức đóng gói traffic và truyền nó qua môi trường mạng nền tảng (Underlay). Giao thức phổ biến trong môi trường mạng DC là VXLAN. Giao thức này sẽ đóng gói các frame Ethernet Layer 2 vào trong packet UDP Layer 3 để tạo các kết nối mạng Layer 2 giữa môi trường mạng Layer 3 Hình 1. 12: Giao thức triển khai trên mạng Underlay và Overlay 1.1 Giới thiệu về Overlay network.

Các kết cấu trung tâm dữ liệu ảo hóa hiện đại phải đáp ứng các yêu cầu nhất định để tăng tốc triển khai ứng dụng và hỗ trợ các nhu cầu của DevOps. Ví dụ: các loại vải cần hỗ trợ mở rộng bảng chuyển tiếp, mở rộng phân đoạn mạng, mở rộng phân đoạn lớp 2, tính di động của thiết bị ảo, tối ưu hóa đường dẫn chuyển tiếp và mạng ảo hóa để hỗ trợ nhiều đối tượng trên cơ sở hạ tầng vật lý được chia sẻ. Mặc dù khái niệm về lớp phủ mạng không phải là mới, nhưng sự quan tâm đến lớp phủ mạng đã tăng lên trong vài năm qua vì tiềm năng của chúng để giải quyết một số yêu cầu này. Mối quan tâm đến mạng lớp phủ cũng tăng lên với sự ra đời của các định dạng khung đóng gói mới được xây dựng đặc biệt cho trung tâm dữ liệu.

Các định dạng này bao gồm mạng LAN có thể mở rộng ảo (VXLAN), Ảo hóa mạng sử dụng đóng gói định tuyến chung (NVGRE), Kết nối liên kết trong suốt của rất nhiều liên kết (TRILL) và Giao thức phân tách định vị / vị trí (LISP). Lớp phủ mạng là mạng ảo gồm các nút được kết nối với nhau chia sẻ mạng vật lý bên dưới, cho phép triển khai các ứng dụng yêu cầu cấu trúc liên kết mạng cụ thể mà không cần sửa đổi mạng bên dưới. Nguyễn Đức Linh – D17CQVT06-B 14 download by : [e-mail] Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tìm hiểu giải pháp công nghệ VXLAN Hình 1.

13: Overlay network Lợi ích của lớp phủ ảo hóa mạng bao gồm: ● Các chức năng của thiết bị được tối ưu hóa: Mạng lớp phủ cho phép phân tách (và chuyên môn hóa) các chức năng của thiết bị dựa trên vị trí thiết bị đang được sử dụng trong mạng. Thiết bị cạnh hoặc thiết bị dạng lá có thể tối ưu hóa các chức năng và tất cả các giao thức liên quan của nó dựa trên thông tin và quy mô trạng thái cuối và thiết bị lõi hoặc thiết bị lõi có thể tối ưu hóa các chức năng và giao thức của nó dựa trên cập nhật trạng thái liên kết, tối ưu hóa với sự hội tụ nhanh chóng. ●Khả năng mở rộng và tính linh hoạt của kết cấu: Công nghệ lớp phủ cho phép mạng mở rộng quy mô bằng cách tập trung mở rộng quy mô vào các thiết bị biên của lớp phủ mạng. Với các lớp phủ được sử dụng ở mép vải, các thiết bị cốt lõi và cột sống được giải phóng khỏi nhu cầu thêm thông tin máy chủ lưu trữ cuối vào bảng chuyển tiếp của chúng.

● Định địa chỉ lớp phủ: Hầu hết các công nghệ lớp phủ được sử dụng trong trung tâm dữ liệu cho phép ID mạng ảo có phạm vi duy nhất và xác định các mạng riêng lẻ. Phạm vi này cho phép chồng chéo tiềm năng trong địa chỉ MAC và IP giữa các bên thuê. Việc đóng gói lớp phủ cũng cho phép không gian địa chỉ cơ sở hạ tầng bên dưới được quản lý tách biệt với không gian địa chỉ đối tượng thuê.2 Đặc điểm Overlay Các công nghệ như GRE hay VXLAN là khi một mạng overlay tạo nên thì sẽ có một ID duy nhất để định danh cho mạng đó đồng thời được sử dụng để đóng gói lưu lượng (traffic encapsulation). Mỗi gói tin giữa các instances trên các host vật lý khác nhau được đóng gói trên một host và gửi tới các host khác thông qua point-to- point GRE hoặc VXLAN tunnel.

Khi gói tin tới host đích, các tunnel header sẽ bị loại bỏ (tại tunnel endpoint) và gói tin được chuyển tiếp tới bridge kết nối với instances. Sơ đồ sau đây thể hiện gói tin trước và sau khi được đóng gói bởi host. Nguyễn Đức Linh – D17CQVT06-B 15 download by : [e-mail] Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tìm hiểu giải pháp công nghệ VXLAN Hình 1.

14: Gói tin trước và sau khi được đóng gói bởi host. Theo hình mô tả ở trên, địa chỉ nguồn và đích trong outer IP header sẽ định danh cho endpoint của tunnel. Tunnel endpoints bao gồm compute nodes và bất kì host nào chạy các dịch vụ L3 và DHCP, có thể là controller node hoặc network node. Các địa chỉ nguồn và đích trong Inner IP header định danh cho các instances gửi và nhận payload.2 Một số công nghệ Overlay network 1.1 GRE (Generic Routing Encapsulation) GRE-Generic Routing Encapsulation là giao thức được phát triển đầu tiên bởi Cisco.

Giao thức này sẽ đóng gói một số kiểu gói tin vào bên trong các IP tunnels để tạo thành các kết nối điểm-điểm (point-to-point) ảo. Các IP tunnel chạy trên hạ tầng mạng công cộng. Trong đó trường Key (chiếm 4 octects tương đương 32 bits) trong GRE header sử dụng để mang Tenant Network Identifier (TNI - định danh mạng khách hàng) và được sử dụng để cô lập các logical segment khác nhau. GRE đóng gói inner frame sử dụng IP protocol số 47 để truyền thông chứ không sử dụng TCP hay UDP Hình 1.

15: Gói tin được đóng gói bởi GRE Nguyễn Đức Linh – D17CQVT06-B 16 download by : [e-mail] Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tìm hiểu giải pháp công nghệ VXLAN 1.2 VXLAN VXLAN hay Virtual Extensible LAN (VXLAN) là giao thức sử dụng UDP (cổng 4789) để truyền thông và một segment ID độ dài 24 bit còn gọi là VXLAN network identifier (VNID). Với VXLAN, hash của header trong inner frame sử dụng để làm cổng nguồn của UDP. Kết quả là, một VXLAN flow sẽ là duy nhất với các địa chỉ IP và UDP ports kết nối với nhau trong IP header khi duyệt qua mạng vật lý bên dưới.

16: Gói tin được đóng gói bởi GRE 1.3 So sánh Underlay Network và Overlay Network Underlay network là thuật ngữ chỉ hạ tầng cung cấp kết nối nền tảng của mạng. Trong mô hình Clos, thuật ngữ underlay thường được sử dụng để chỉ việc định tuyến Layer 3 (IP) giữa các thiết bị với nhau. Mục tiêu của underlay là cung cấp kết nối any- to-any giữa tất cả các thiết bị. Nhờ đó, các thiết bị có thể truyền các giao thức báo hiệu sử dụng cho mạng Overlay.

Overlay network là thuật ngữ chỉ cách thức đóng gói traffic và truyền nó qua môi trường mạng nền tảng (Underlay). Nguyễn Đức Linh – D17CQVT06-B 17 download by : [e-mail] Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tìm hiểu giải pháp công nghệ VXLAN Bảng So sánh Underlay Network và Overlay Network Tham số Underlay Network Overlay Network Định nghĩa Underlay mạng là cơ sở hạ Một mạng overlay là một tầng vật lý trên mạng overlay mạng ảo được xây dựng nằm được xây dựng sẵn. trên của một cơ sở hạ tầng/mạng lớp (các Underlay).

Các giao thức liên ChuyểnmạchEthernet, VXLAN, OTV, VPLS… quan VLAN định tuyến. Khả năng mở rộng Ít khả năng mở rộng do giới Được thiết kế để cung cấp khả hạn công nghệ. năng mở rộng hơn Underlay Network Ví dụ: VLAN (Underlay mạng) cung cấp 4096 VLAN hỗ trợ trong khi VXLAN (overlay network) cung cấp số nhận dạng tối đa 16. Điều khiển gói tin Do phần cứng.

Do phần mềm. Chuyển gói tin Chịu trách nhiệm phân phối Giảm tải từ phân phối các gói các gói. Đóng gói tin Gửi gói xảy ra ở lớp 3 và lớp 4 Đóng gói bản tin suốt từ nguồn và đích đến, do đó có thêm tiêu đề. Lưu lượng chuyển Ít khả năng mở rộng các tùy Hỗ trợ đa đường dẫn chuyển tiếp đa đường chọn của đa trợ đa đường dẫn tiếp trong ảo.

Thời gian triển khai Ít khả năng mở rộng và tốn Khả năng triển khai nhanh thời gian hoạt động để thiết lập chóng và dễ mở rộng. các dịch vụ và chức năng mới. Lưu lượng truyền Truyền các gói đi qua mạng Truyền gói dọc theo các liên thiết bị như bộ chuyển mạch kết ảo giữa các nút lớp phủ. và bộ định tuyến.

Nguyễn Đức Linh – D17CQVT06-B 18 download by : [e-mail] Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Tìm hiểu giải pháp công nghệ VXLAN 1. Giao thức Vxlan BGP EVPN Việc sử dụng VXLAN rõ ràng mang lại nhiều lợi thế cho các trung tâm dữ liệu đa tầng thông qua việc tăng số lượng định danh mạng và thông qua nền tảng Lớp 3 overlay của nó. Nhưng trong khi STP tránh được bằng cách kết hợp lõi IP để truyền dữ liệu, các giao thức multicast vẫn được yêu cầu để tránh flooding trên mạng Lớp 3 khi tìm kiếm khối lượng công việc đích trước khi nhận dạng và xác định máy chủ lưu trữ cụ thể.

Do đó, các VXLAN theo truyền thống đã sử dụng các phương pháp F & L khi vận chuyển dữ liệu qua mạng. Tất cả các thiết bị logic và thiết bị phía sau địa chỉ VTEP đích nhận dữ liệu từ nguồn trong nỗ lực nhắm mục tiêu khối lượng công việc đích và sau khi nhận được địa chỉ đích dự định, thông tin địa chỉ MAC cụ thể được cung cấp trở lại khối lượng công việc ban đầu để việc học tập địa chỉ máy chủ xảy ra. Sau khi tìm hiểu, kết nối máy chủ đến máy chủ trực tiếp được thiết lập trong phân đoạn mạng VXLAN. Với suy nghĩ này, việc sử dụng Border Gate Protocol (BGP) và Ethernet VPN (EVPN) giải quyết một số vấn đề liên quan đến học tập thông qua flooding bằng cách giảm thiểu mức độ mà điều này cần phải xảy ra.

17: BGP EVPN Topology Multiprotocol Border Gateway Protocol (MP-BGP) Ethernet Virtual Private Network (EVPN) là giao thức điều khiển phù hợp và được khuyên dùng cho VXLAN. MP-BGP EVPN được định nghĩa bởi IETF như một chuẩn chung cung cấp cơ chế cho phép thiết bị VTEP tìm kiếm và học các thông tin của các hosts, servers, network devices của các VTEP khác. Sử dụng băng thông hiệu quả và khả năng phục hồi với tính năng đa hệ số Active- Active. VXLAN được hỗ trợ với PortChannel ảo (vPC).

Điều này cho phép khả năng Nguyễn Đức Linh – D17CQVT06-B 19 download by : [e-mail] Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1.