【云原生技术】云网络VPC中，VXLAN和GRE隧道技术介绍

云网络中的VXLAN是一种基于UDP封装MAC地址的虚拟局域网技术，支持高达1600万个虚拟网络隔离和跨物理网络通信；其工作原理包括封装原始以太网帧到UDP报文中，并通过VXLAN网络标识符（VNI）实现跨段传输。VXLAN适用于数据中心内部的灵活扩展和安全通信场景。
而GRE是一种通用的隧道协议，在数据包层封装原始协议数据包（如IPX或IPv6），支持多种协议传输；其工作原理是将数据包封装在IP头后发送到目标地址。GRE常用于VPN构建和点对点连接，并广泛应用于云环境中不同节点之间的高效通信。
两者的关联在于均通过封装技术跨越物理网络；但区别主要体现在设计目的与应用场景上：VXLAN侧重数据中心虚拟化与大规模扩展；而GRE更通用，适用于多种协议的点对点连接与隧道构建。两者均可提升网络安全与通信效率，在不同场景下选择合适的隧道技术以满足需求。

云网络VPC中，VXLAN和GRE隧道技术介绍

• 一、什么是隧道技术

• • • 工作原理
    • 常见的隧道技术
    • 应用场景
    • 总结

• 二、VXLAN简介

• • 1、工作原理

  • • 工作原理
    • 特点
    • 应用场景
    • 实现和支持
    • 总结

  • 2、示例

  • • VXLAN 工作原理
    • 示例：VXLAN数据传输过程
    • VXLAN协议细节
    • 总结

• 三、GRE简介

• • 1、简介

  • • 工作原理
    • 协议细节
    • 应用场景
    • 注意事项
    • 总结

  • 2、工作原理

  • • GRE工作原理
    • GRE头部
    • 应用场景
    • 注意事项
    • 总结

请提供需要改写的文本

  * GRE报文结构
  * 数据流程
  * 总结

• 四、VXLAN和GRE关联与区别
• • • VXLAN 和 GRE 的关联
    • VXLAN 和 GRE 的区别
    • 总结

一、什么是隧道技术

云网络中的专用通道是一种在全球互联网或其它通信网中建立专用通信渠道的方式。该技术允许数据进行安全传输，并如同借助一个专属渠道或‘暗道’传递信息一样。隧道技术主要用作分散网互联、数据防护以及突破网内障碍的技术手段。

工作原理

封装和加密 ：

• 隧道技术一般会将数据包以特定协议进行包装处理。例如，在使用公共网络时，私有网络的数据可能会被套用到IP协议框架下。

• 一般而言，在隧道内部的数据传递过程中会采用加密手段。这有助于保障信息在网络传输过程中的隐私和安全性。

端点 ：

该隧道具有两个端口；这两个端口可能配置为路由器、网关、服务器或其他网络设备；在两端的数据传输过程中，在入口处的数据包会被包装（加密或转换），而在出口处则会进行解包（解密或还原）。

数据传输 ：

经过打包处理的数据信息借助互联网平台实现远程传输服务。即便有第三方获取了这些电子文件内容，在解密过程中也会面临极大的技术挑战。采用加密技术对数据进行保护能够有效规避潜在的安全威胁。

常见的隧道技术

VPN（Virtual Private Network） ：

改写说明

IPSec（Internet Protocol Security） ：

该协议集合 IPSec 通过 IP 网络实现数据安全传输功能，并且包含加密功能和身份验证机制。

SSL/TLS（Secure Sockets Layer / Transport Layer Security） ：

SSL与TLS协议主要应用于互联网上的数据安全传输，旨在通过建立加密通信渠道确保数据传输的安全性。

GRE（Generic Routing Encapsulation） ：

 * GRE是一种封装协议，用于在IP网络上封装其他协议。

VXLAN（Virtual Extensible LAN） ：

VXLAN技术被应用在数据中心内部环境中，并通过将MAC地址嵌入UDP报头中来实现对多个物理网络的划分与管理，从而构建一个大型虚拟专用网（VPN）。

应用场景

• 分散在不同地点的数据中心得以实现互联。
• 通过合法且安全的方式实现远程工作模式。
• 突破网络隔离障碍后，资源得以连接到不同的网络隔离区域。
• 确保敏感信息在危险环境中也能得到妥善处理。

总结

云网络中的隧道技术是一种在潜在危险的网络环境下实现数据安全传输的关键可靠技术方案。该技术通过建立专门的安全通道，在保障通信完整性的同时有效提升了远程接入的安全性水平，并实现了对分散式网络资源的互联连接；同时能够确保跨公共网的数据传输安全。

二、VXLAN简介

1、工作原理

作为一种先进的网络虚拟化技术方案，VXLAN（Virtual Extensible LAN）主要致力于解决传统数据中心内部网络架构所面临的局限性，并通过提升网络的灵活性和扩展能力来显著增强整体性能。该技术于2011年首次提出，并以其对传统虚拟局域网（VLAN）功能的增强和优化而受到关注。

工作原理

封装机制 ：

该技术采用将原始以太网帧（携带MAC地址及VLAN标签等信息）打包进UDP报文的方式进行处理。这种打包方式则可使该技术跨越不同网络段及所属的IP子网。

VXLAN网络标识符（VNI） ：

每个VXLAN报文携带一个24位二进制编码长度的VXLAN网络标识符（缩写为VNI），该设计被广泛应用于支持高达约16,00万个虚拟网络，在性能上显著超过了传统VLAN架构的4,096个标识符限制。

VXLAN隧道端点（VTEP） ：

• VXLAN隧道端点（VTEP）负责包装与解包VXLAN报文。
• 每个VTEP均配备两个端口：一个位于本地网段用于本地通信，
  另一个连接至远程网段以实现对外通信。
• 在本地网段中采用MAC地址进行通信，
  而在外网连接部分则采用IP地址完成数据传输。

特点

• 扩展性 ：支持多达160万个独立虚拟网络环境。
• 灵活性 ：能够灵活实现跨物理网络的资源连接。
• 与现有网络的兼容性 ：能在现有IP网络架构中无缝集成，并无需额外硬件配置。
• 隔离性 ：每个虚拟网独立（VNI）提供严格隔离的虚拟化环境。

应用场景

• 云计算环境下：VXLAN技术被广泛应用于构建具备高扩展性和弹性的云计算网络架构。
• 多用户场景：特别适用于需要保障各独立业务网络间安全隔离的应用环境。
• 跨数据中心之间的虚拟化通信：通过VXLAN技术实现了不同数据心中虚拟化连接机制的设计与实现，在保障网络安全的同时实现了资源的有效共享与高效的通信连接。

实现和支持

• 广泛采用的现代网络技术架构及软件定义网络（SDN）方案均能够实现VXLAN的支持。
  • 常用的主要虚拟化平台及操作系统的组合包括VMware、Microsoft Hyper-V和Linux，并可实现对VXLAN的支持。

总结

作为一项领先的网络虚拟化技术方案,VXLAN凭借其强大的大规模网络隔离能力和跨域网段通信功能,显著提升了数据中心网络的灵活性与扩展能力。在现代数据中心及云计算环境中发挥着不可替代的作用。

2、示例

VXLAN（Virtual Extensible LAN）是云数据中心内实现网络可扩展性的一种核心技术机制。其核心机制包括将内部节点的数据流量封装成外部数据包的形式进行传输。这种技术允许跨越物理层的限制，在不同物理网卡之间实现互联和通信。让我们结合一个具体的实例来深入解析VXLAN的工作原理、组报文构造、协议运行细节以及数据传输流程。

VXLAN 工作原理

封装 ：

• VXLAN采用了将原始以太网帧（其中包括MAC地址和VLAN标签等关键信息）包装进一个UDP报包的方式来实现通信。

  • 每一个VXLAN报包都携带一个24位的二进制编码——即VXLAN网络标识符（简称VNI），这个标识符决定了目标虚拟网络。

VXLAN隧道端点（VTEP） ：

VTEP主要负责对数据包进行编码进...并解码出...在VXLAN网络的边缘部分。每个VTEP设备都配备了一个本地网络接口用于内部通信以及一个远程网络接口用于连接外部系统。

示例：VXLAN数据传输过程

假设有两个虚拟机（VM），分别部署在不同的物理服务器上。这些虚拟机都属于同一个VXLAN网络（VNI 5000）。以下描述了数据从 VM1 传输至 VM2 的全过程：

数据生成 ：

 * VM1产生一个以太网帧，目标是VM2的MAC地址。

封装过程 ：

• VM1所在的物理服务器上的VTEP接收到这个帧，并将其外部封装成一个VXLAN报文（包含虚拟网络标识）以及一个新的外部IPv4地址（来源地址来自VM1的VTEP端口地址，目的地址来自VM2的VTEP端口地址）。

• 这个封装过程还包括在VXLAN报文前面添加一个UDP报文和一个IPv4地址。

数据传输 ：

经过封装的数据流量经由物理网络传输至VM2所属服务器的VTEP端口。因为其已转换为标准IP数据流量, 所以能够实现任意IP网络中的路由与传输.

解封装过程 ：

当一个VTEP接收来自外部的流量时，在其本地处理后会去除外部的IP头、UDP头以及VXLAN头，并解封装为原始的以太网帧。
这个解封装后的以太网帧随后会被转发至VM2服务器。

VXLAN协议细节

• VXLAN头：
  VXLAN头由一个8字节构成的头部信息组成，在这其中最具有识别意义的就是24位的有效网络标识符（VNI），它用于标识虚拟专网网络环境。

• UDP头 ：
  UDP头部分包含了源端口和目的端口这两个关键字段。一般认为，在VXLAN协议中采用UDP协议来进行数据帧的封装工作。通常情况下，在实际应用中会将4789端口设定为默认的VXLAN专用传输端口号，并将其作为常用的设置进行配置。

• IP头：

  • 每个封装过的VXLAN包都带有外部IP字段（即外部 IP 头），该字段标识了源地址和目标地址。
  • 这些 IP 地址表明该 VXLAN 包所连接到的 VTEP 使用的是哪个 IP 地址。

总结

VXLAN通过封装与解封装技术来管理网络流量，在物理基础设施上实现了灵活而可扩展的虚拟化架构。其采用UDP协议作为核心手段进行数据包打包，并以跨越不同物理网络及内网IP地址范围内的通信需求为目标。从而帮助云数据中心实现高效且安全的虚拟化部署方案

三、GRE简介

1、简介

GRE（Generic Routing Encapsulation）是一种广泛应用于通信网络中的数据包封装协议，在两个或多个节点之间建立直接的端到端连接的能力较强，并且能够高效地处理多类型流量。在云计算架构中，该协议被用来构建隧道，并负责将不同类型的网络流量进行打包和传输。

工作原理

封装 ：

GRE协议的主要功能是负责数据包的封装。它通过将一个网络层协议的数据包嵌入到另一个网络层协议的数据包中来实现数据传输的安全性和效率。例如以下场景中：如IPX或IPv6流量被嵌入到IPv4数据包中进行传输。

GRE头 ：

在封装操作中遵循GRE协议体系结构，在原始数据包外围附加一个特定的头部字段。该头部字段携带相关参数以区分不同类型的打包数据

隧道端点 ：

在GRE隧道中存在两端点，并且每个端点都有一个独特的IP地址。数据包从一端打包后传输至另一端并被解析处理。

数据传输 ：

经过封装的数据包采用常规的互联网数据传输方式。由于GRE协议定义的数据包格式与标准IP协议一致，在任何支持该协议的网络中均可实现自动路由与流量转发。

协议细节

• 协议类型 ：

  • GRE是一个简单的封装协议，不提供加密或广泛的认证机制。

• 多种网络层协议的支持：该软件模块能够集成几乎所有类型（包括但不限于）的网络层协议类型，并通过灵活的配置机制实现对不同网络环境的有效适配。

GRE头部部分较为简单

应用场景

VPN（虚拟私人网络） ：

 * GRE常用于构建VPN，尤其是在需要将不兼容的协议通过互联网传输时。

网络层协议的封装和转发 ：

 * 当需要在不同类型的网络之间转发数据时，GRE可以用来封装这些数据。

点对点连接 ：

 * 在两个网络节点之间创建简单的点对点连接。

注意事项

• 安全特性 *：
  GRE本身未采用数据加密技术，在需要确保数据传输安全的情况下，一般会配合IPSec等协议使用。

  • 性能 ：
    • GRE封装会增加额外的头部信息，可能会略微影响网络性能。

总结

GRE是一种兼具灵活性与强大功能的网络隧道技术，在VPN构建及数据封装领域发挥着重要作用。这种技术在云网络环境中尤其表现出色，在此场景下能够使各类网络流量实现安全且高效的跨环境传输。然而由于GRE本身不具备加密功能，在需要高度安全防护的场合则需配合其他安全协议使用

2、工作原理

在网络环境里，GRE（Generic Routing Encapsulation）被视为一种通道技术，在不同网络之间传递信息。其核心功能是支持通过同一封装协议实现不同协议的数据交换。该方案广泛应用于节点间的直接通信。

GRE工作原理

封装过程 ：

• 在数据传输至GRE隧道入口时，

• 首先会在其前缀中被预包装成一个完整的GRE包裹。

• 这一打包流程主要涉及将原始数据包裹物（例如传统的IP数据包）在其前面附加一个 GRE 头部字段以及一个新的外层 IP 头字段。

• 该 GRE 头部字段字段会记录有关打包的数据类型信息，

• 而外层 IP 头字段则会编码隧道两端计算机的 IP 地址信息。

数据传输 ：

封装后的数据包经由网络传输至目标地址点。因为GRE包被视为标准的IP数据包类型, 所以这些数据包能够顺利地在任意IP网络中被路由和转发。

解封装过程 ：

当被封装好的数据流送达目标端口时，在接收端的GRE传输通道将通过解析GRE头部字段和去除外部IP头字段来解码并恢复原始数据内容。

数据传递 ：

 * 解封装后的原始数据包随后被传递到目标网络或设备。

GRE头部

• GRE头部较为基础，并主要包含以下几个组成部分：
  • 协议编码：明确标识封装在GRE包内的原始通信协议类型。
  • 数据完整性校验信息（可选）：提供用于验证数据完整性的信息。
  • 隧道识别标识符（可选）：用于区分不同的GRE隧道连接或会话实例。
  • 数据包顺序确认码（可选）：确保各个数据包按照正确的顺序进行传输。

应用场景

• VPN（虚拟私人网络）：GRE主要通过两个网络节点之间的关系来实现 VPN 连接的建立。
  • 网络层协议封装：当需要在一个网络安全环境中传递各种类型的数据时，GRE能够实现不同数据包的正确封装。
  • 点对点连接：在云计算环境中，GRE主要通过直接关联两个关键节点来实现高效通信。

注意事项

• 安全性：GRE本身缺乏直接的加密功能，在需要对数据进行加密传输的情况下，则通常会将其与IPSec等专门的加密协议结合起来使用以实现安全目标。
  • 性能影响：这些过程（即封装与解封装操作）可能会影响到网络设备的整体性能表现，在数据流量较高的情况下尤为明显。

总结

GRE是一种简洁而强大的通道系统，在IP网络中可实现多种流量的安全高效传输。其在网络云环境中的应用主要涉及数据封装、VPN架构搭建以及点对点连接的建立。然而，在网络安全性要求严格的环境中，建议将其与额外的安全防护措施相结合使用。

3、 示例

让我们以一个具体的案例深入解析云网络环境中GRE（Generic Routing Encapsulation）隧道的工作机制，并系统阐述其采用的协议、报文组织方式以及数据流运行的具体过程。

示例：GRE 隧道建立与数据传输

假设存在两个网络，在各自网络的网关处配置相应的GRE隧道入口：一个位于网络A（IP地址为192.168.1.1），另一个位于网络B（IP地址为192.168.2.1）。这两个入口将通过互联网实现数据传输，并且需要确保数据传输的安全性。

1. GRE隧道建立

在端点A及端点B处分别配置GRE隧道服务。 配置过程涉及对双方设备设置相应的IPv4和IPv6目标地址参数，并确保本地设备能够正确获取对应的网络接口信息。

2. 数据封装过程

当数据从网络A的设备传输至网络B时，在端点A处完成首次处理流程。
该过程涉及将原始数据包装成GRE包裹的形式。
具体操作步骤如下：
首先，在包裹头部添加GRE协议标识（包括协议类型及可选的安全参数）。
随后，在包裹头部明确设置源IP地址为192.168.1.1，并指定目的IP地址为192.168.2.1完成最终打包。

3. 数据传输

封装后的数据包经由互联网传输至端点B。由于GRE包作为标准的IP包，在任何IP网络中都可以实现路由和转发。

4. 数据解封装过程

• 在端点B处，该GRE封装层首先被剥离。
  • 端点B去除外部的IP头和GRE头层信息后，能够提取出原始数据包。

5. 数据传递到目标

• 解封装后的数据包被发送到网络B内的目标设备。

GRE报文结构

• 外部IP头部分包含了源地址和目标地址信息，在此案例中涉及到了源地址为192.168.1.1和目标地址为192.168.2.1。
• GRE头部配置需要指定Gre协议类型以及可选的Key字段和Sequence Number字段。
• 经过处理后形成的数据单元通常是原始数据包裹或者基于其他协议格式的数据包裹。

数据流程

1. 出发点：该数据包由网络A的设备生成。
2. GRE封装：该数据包被端点A捕获并打包成GRE包裹。
3. 传输：经由互联网将打包好的数据包裹运送到端点B。
4. GRE解封装：当端点B接收此包裹时会自动进行解包裹处理。
5. 目 destination: 解包裹后的信息将被转发至网络B指定的目标设备。

总结

在这一实例中，在这种情况下 GRE 隧道技术允许网络 A 和网络 B 之间实现安全的数据传输 即使这些数据包必须跨越经由不可靠的互联网 GRE 提供了一种有效的途径来封装与传输数据 但需要注意的是 GRE 本身不具备加密功能 在处理高度机密或敏感的信息时 常常需要将 GRE 与其他加密技术 如 IPSec 结合使用。

四、VXLAN和GRE关联与区别

VXLAN（Virtual Extensible LAN）与GRE（Generic Routing Encapsulation）是云网络中广泛使用的两种通信技术方案。VXLAN通过在物理链路间建立动态可扩展的虚拟网络来实现高效率的数据传输；而GRE则采用一种端到端的报文封装机制，在确保数据完整性的同时提供灵活的路由控制能力。与传统方法相比，这两种技术在主要目标、具体实现机制以及适用场景上存在显著差异。

VXLAN 和 GRE 的关联

隧道技术 ：

这两种通信技术都属于隧道式通信技术，在网络安全领域具有重要应用价值。在网络安全架构中，它们位于网络层之上，并通过数据打包过程实现对另一方网络的数据流量进行打包处理与传输。这种机制能够有效保障双方网络安全的同时提升通信效率。

封装原理 ：

 * VXLAN和GRE都使用封装原始数据包的方法来跨越物理网络。

VXLAN 和 GRE 的区别

设计目的 ：

• VXLAN：主要旨在支持数据中心的虚拟化网络架构，在处理跨区域或不同分区（如子网或VLANs）的通信需求时展现出显著的优势。它增强了传统网络架构在扩展性方面的能力，并为实现更多独立的VLAN或子网划分提供了更为灵活的组织结构方案。

• GRE：更加通用且灵活，能够包裹几乎所有类型的底层协议，并在复杂的IP分组网环境中传输数据。GRE的设计重点在于其广泛的兼容性和灵活性。

协议细节 ：

• VXLAN：通过UDP封装实现通信机制。每个VXLAN报文都包含一个24位的VXLAN网络标识符（VNI），支持约16,000,000个独立网络环境。

• GRE：直接封装数据帧并采用高效协议设计。该协议不依赖于UDP或TCP协议，在通信过程中仅添加少量头信息以确保传输效率。

性能和可扩展性 ：

• VXLAN ：基于UDP协议的封装方式使得VXLAN能够与现代数据中心的负载均衡和网络设备实现更加高效的协同工作，并具备更强的扩展能力。

• GRE ：尽管在数据包封装过程中展现出更高的灵活性，在大规模网络环境下的性能表现略显逊色于VXLAN。

使用场景 ：

• VXLAN ：广泛应用于大规模云数据中心网络中，为多端虚拟化服务提供支持，并能够处理复杂的网络架构。

• GRE ：特别适合于直接通信需求以及实现跨平台数据包封装功能的场景。

安全性 ：

两种方案均未内置加密机制，一般情况下需搭配IPSec等相关协议配合使用以保障通信安全性。

总结

尽管VXLAN与GRE都属于隧道技术范畴，在设计目的上存在显著差异：VXLAN主要应用于大规模数据中心网络的虚拟化部署，并能提供更高的网络可扩展性和灵活性；而GRE则更适合用于通用数据包封装及点对点通信场景，在需要封装多种协议的场合表现更为突出。在云网络架构中选择最合适的技术方案时，请根据具体业务需求以及实际应用场景来综合考量。