数据中心网络里的Underlay和Overlay

近几年，随着云计算、大数据、移动互联网等新技术的普及，部署大量虚拟机成为一种必然趋势。不过，虚拟机需要在网络中无限制地迁移到目的物理位置，在传统数据中心网络中几乎无法满足，这样虚拟机在迁移范围上要受到网络架构限制，在规模上要受网络规格限制，网络隔离和分离能力也制约着虚拟机的大批量部署，解决这些虚拟机迁移问题理想的方案是在传统单层网络（Underlay）基础上叠加（Overlay）一层逻辑网络，将网络分成两个组成部分。在 Underlay网络中，所有的转发行为都由控制器决定，控制器通过OpenFlow协议或者定制的BGP协议将转发表项下发给转发器，转发器仅仅执行动作，没有单独的控制面；而在Overlay网络中，这种网络的转发器一般都是传统设备，不支持OpenFlow，或者私有定制协议不能部署，这时就要用到隧道技术。基础网络还是传统网络形式，通过路由协议打通各个节点，但是在服务器接入点，采用隧道技术将数据报文进行封装或者解封装。对传统网络来说见到的就是普通的数据报文，转发即可。隧道技术实际上就是报文的马甲，迷惑网络设备，让设备以为是自己人，实际上在外表以下还有一个真实转发的内容。

Underlay网络

以太网从最开始设计出来就是一个分布式网络，没有中心的控制节点，网路中的各个设备之间通过协议传递的方式学习网络的可达信息，由每台设备自己决定要如何转发，这直接导致了没有整体观念，不能从整个网络的角度对流量进行调控。由于要完成所有网络设备之间的互通，就必须使用通用的语言，这就是网络协议，RFC就是网络协议的法律，相当于国际法，各个设备供应商遵从国际法行事，就基本保证了整个网络世界的正常运行。Underlay就是当前数据中心网路基础转发架构的网络，只要数据中心网络上任意两点路由可达即可，指的是物理基础层。我们可以通过物理网络设备本身的技术改良、扩大设备数量、带宽规模等完善Underlay网络，其包含了一切现有的传统网络技术。

Overlay网络

Overlay在网络技术领域，是一种网络架构上叠加的虚拟化技术模式，其大体框架是对基础网络不进行大规模修改的条件下，实现应用在网络上的承载，并能与其它网络业务分离。它是建立在已有网络上的虚拟网，用逻辑节点和逻辑链路构成了Overlay网络。Overlay网络是具有独立的控制和转发平面，对于连接在Overlay边缘设备之外的终端系统来说，物理网络是透明的。通过部署Overlay网络，可以实现物理网络向云和虚拟化的深度延伸，使云资源池化能力可以摆脱物理网络的重重限制，是实现云网融合的关键。Overlay网络也是一个网络，不过是建立在Underlay网络之上的网络。Overlay网络的节点通过虚拟的或逻辑的链接进行通信，每一个虚拟的或逻辑的链接对应于Underlay网络的一条路径（Path），由多个前后衔接的链接组成。

Overlay技术可以分为网络Overlay，主机Overlay和混合式Overlay三大类。网络Overlay是指通过控制协议对边缘的网络设备进行网络构建和扩展，也就是本文所讲的Overlay网络技术。Overlay网络技术多种多样，一般采用TRILL、VxLan、GRE、NVGRE等隧道技术。TRILL（Transparent Interconnection of Lots of Links）技术是电信设备厂商主推的新型环网技术；NVGRE（Network Virtualization using Generic Routing Encapsulation）和STT（Stateless Transport Tunneling Protocol）是IT厂商主推的Overlay技术；以及大家非常熟悉的VXLAN（Virtual eXtensible LAN）等基于隧道的封装技术。由于这些也都是新增的协议，均需要升级现有网络设备才能支持。Overlay网络中应用部署的位置将不受限制，网络设备可即插即用、自动配置下发，自动运行，Overlay网络业务变化，基础网络不感知，并对传统网络改造极少，最为重要的是虚拟机和物理服务器都可以接入Overlay网络中。

Overlay网络和Underlay网络是相互独立的，Overlay网络使用Underlay网络点对点传递报文，而报文如何传递到Overlay网络的目的节点完全取决于Underlay网络的控制平面和数据平面，报文在Overlay网络入和出节点的处理（如丢弃，转发）则完全由Overlay网络的封装协议来决定。既然是隧道技术，就需要在原有报文的基础增加一些报文头，这无疑会增加网络转发负担，要多传递一些“无用”字节报文，会降低网路性能，Underlay方式才是数据中心网络发展的终极形式。还有Overlay网络并没有完全的与物理网络解耦合，仍然需要在服务器和网络设备上做大量的人工配置，Overlay网络的部署在可维护性上不是减少，反而是增加了运维的负担。Overlay网络和Underlay网络实际上并不是什么新鲜概念，比如在传统网络中，L3VPN、灵活QINQ、MACinMAC等功能都是隧道技术，这些协议的作用和Overlay的实现作用非常类似，只不过Overlay所用到的新协议考虑更多的是虚拟机迁移、移动性，新协议定义内容更加丰富和合理而已。Overlay网络技术充分考虑到了数据中心网络的现实问题，现有的网络很难一下子切换到SDN网络，网络完全由控制器和Underlay网络构成，转发平面与控制平面完全解耦。Overlay网络就可以充分利用现有的物理网络，完全虚拟出一张逻辑网络，这样完全可以满足虚拟机在网络里任意迁移的目的，又不会浪费现有的网络资源，是在SDN网络和传统网络之间做出的一种折衷方案，网络的未来必要还是Underlay加控制器的方案。

将数据中心网络分为Underlay和Overlay两个部分，是在数据中心虚拟化的大背景下产生的，虽然目前Overlay网络更为重要，但是也需要Underlay网络，而且Underlay网络必不可少，在相当长的一段时间内，两种网络形式将长期并存。随着SDN技术的成熟，Overlay网络也许会慢慢退出历史舞台，完全由控制器接管网络。