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VXLAN vs. GENEVE：隧道协议之争

SDNLAB

发布于 2022-12-13 13:08:31

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随着IT环境的不断变化以及新技术的快速发展，新的客户需求下，新的隧道协议也随之被引入进来。从GRE到VXLAN、GENEVE，网络虚拟化技术得到了迅猛发展，VXLAN 已成为目前网络虚拟化Overlay的事实标准，那么，它与Geneve 有何区别与联系呢？

网络虚拟化的发展

网络虚拟化（Networking Virtualization）是在一个underlay网络上划分出多个overlay网络。原本只支持一套网络的设备，通过网络虚拟化，现在可以用来支持多套网络。

如果我们把网络中的所有节点看成一个分布式系统，那么underlay网络为这个分布式系统的各个节点提供了网络连接。而各种各样的网络虚拟化协议，则为这个分布式系统的各个节点提供了通信所使用的协议。比如说，在一个云环境里面，所有的服务器共同组成了一个部署虚机的分布式系统。underlay网络连接这个分布式系统的各个节点（各个服务器），而网络虚拟化协议用来封装各个节点之间传递的数据（虚机之间的网络数据）。

网络虚拟化本身不是一个新的技术，从其诞生之日起，各种各样的协议被提出。其中较早的是通用路由封装 (GRE)，它是从物理拓扑中抽象出路由网络的一种方便的方法。虽然 GRE 是一个很好的工具，但它缺少两个主要特征，阻碍了它的多功能性:

向外部发送隧道流量或原始流量的差异信号的能力——Overlay Entropy，并允许传输网络在所有可用链路上进行哈希。
提供二层网关的能力，因为 GRE 只能封装 IP 流量。封装其他协议(如MPLS)是后来添加的，GRE 本身的属性不包括桥接能力。

由于 GRE 的可扩展性有限，随着新用例的开发，网络行业变得更具创造性。一种方法是使用以太网 over MPLS over GRE (EoMPLSoGRE) 来实现第 2 层网关用例。思科将其称为Overlay Tunnel Virtualization (OTV)，其他供应商将其称为下一代 GRE 或 NVGRE。虽然OTV是成功的，但NVGRE的采用有限，主要是因为它在网络虚拟化方面出现较晚，同时下一代协议虚拟可扩展 LAN (VXLAN) 已经取得了进展。

网络虚拟化隧道协议

VXLAN 是目前网络虚拟化Overlay的事实标准。基于IP，VXLAN也有一个UDP头，因此属于基于IP/UDP的封装或隧道协议。这个家族的其他成员包括 OTV、LISP、GPE、GUE 和 GENEVE 等。重要性在于 Internet 工程任务组 (IETF) 网络虚拟化覆盖 (NVO3) 工作组中的相似性及其密切关系/起源。

VXLAN是目前网络虚拟化覆盖的实际标准。基于IP (Internet Protocol)， VXLAN也有一个UDP头，因此属于基于IP/UDP的封装或隧道协议。这个家族的其他成员包括OTV、LISP、GPE、GUE和genee等。

VXLAN

VXLAN 的全称是虚拟扩展局域网（Virtual eXtensible Local Area Network），它是VMware、Arista Networks 和 Cisco 联合开发的。VXLAN技术很好地解决了现有VLAN技术无法满足大二层网络需求的问题。VXLAN 负责在三层网络中形成二层局域网段。通过在底层路由三层网络上利用 VXLAN 技术，可以减少 VLAN 的生成树和中继问题。

VXLAN在RFC 7348中被正式记录，是一个标准。每个 VXLAN 段都有一个名为 VNI 的标识符，它是 24 位的，允许将 VXLAN 值扩展到大约 1600 万个 VXLAN 段以进行处理。下图描述了 VXLAN 标头及其相关字段：

VXLAN，作为成熟的Overlay网络虚拟化隧道技术，在数字化时代，逐渐暴露出其不够灵活、缺乏扩展性的问题，其结果就是无法满足越来越多的网络要求。要满足上述需求，需要在网络数据包中进行相对灵活的调整，以支撑业务应用、支撑安全等的需求。而现有的协议基本是已经固定的字段，缺少可变的、可控的区域，难以添加和修改。

GENEVE

GENEVE（Generic Network Virtualization Encapsulation）是2016-2017年开源界出现的一种新型开源数据虚拟化封装（隧道）协议，它设计的初衷就是解决当前数据传输缺乏灵活性，难以满足用户在安全，在业务应用支撑上的各种灵活要求。

Geneve 只定义了一种封装数据格式，不包括控制平面的信息。GENEVE 相较于 VXLAN 封装的关键优势在于其灵活性以及通过 IANA（国际互联网代理成员管理局）来指定选项类别。VXLAN包含一个 24 位的隧道标识符字段。GENEVE则是通过一组可以设置的 TLV 选项实现可扩展性。供应商可以根据自己的需要灵活选择，不受24位的限制。

2020年11月，IETF（全球互联网技术任务组）正式出版了详细的白皮书（RFC：8926），标志着该技术已经足够成熟。目前，Cisco已经用于数据中心场景，而Juniper、VMware、Amazon、Oracle、IBM、Ericsson等公司也已经开始了实际研究开发在实际项目中使用各自Geneve 标准的私有协议服务最终客户。

VXLAN vs. GENEVE

从表面来看，VXLAN 和 Geneve 提供的功能相同，都是在三层 IP 数据包内封装和传输二层帧。两者都使用 UDP 协议来实现其功能。然而，两种隧道协议还是有较大的区别。VXLAN 帧的标头长度是 8 字节，而 Geneve 的标头长度是 16 字节。此外，VXLAN不具备传输安全、服务链和带内遥测。Geneve 解决了 VXLAN 的一些主要缺点：

VXLAN缺少协议标识符字段。VXLAN进一步的多路复用/多路分解需要在负载地址中提供协议标识符，而 VXLAN 缺少该协议标识符。
VXLAN不能发送不属于客户端的包帧，即对方无法区分是否是客户端包。
VXLAN 中的所有字段都是固定的，无法通过使用可扩展字段实现互操作性，GENEVE 的最大特点是拥有灵活的可变长区域，提供了更为灵活的空间。

比较 VXLAN 和 GENEVE 封装格式

Geneve 用例的覆盖范围与VXLAN今天能够做的差不多。像单播/组播流量的桥接和路由等用例，无论是IPv4、IPv6还是多租户，VXLAN(与BGP EVPN一起)已经可用了近十年。有了GENEVE，所有这些用例都可以通过另一种封装方法访问。

通过 GENEVE 协议，我们可以在网络数据传输中做到很多以前难以完成的工作，比如：

提升数据安全：在数据包中，通过传输安全值等元数据，以更好的防止数据篡改，保障数据安全。用户也可以基于此构建私有链，从而进一步提升对数据的保护。
无接触数据处理：基于存放在 GENEVE 协议头中的元数据，系统不需要完整解开数据包，就可以知道哪个应用需要此数据，或者该如何处理此数据，从而可以完成数据的预处理。

下表展示了两种协议之间的区别：