Overlay网络和Underlay网络是一组相对概念,Overlay网络是建立在Underlay网络上的逻辑网络。而为什么需要建立Overlay网络,就要从底层的Underlay网络的概念以及局限讲起。
Underlay网络正如其名,是Overlay网络的底层物理基础。
如下图所示,Underlay网络可以是由多个类型设备互联而成的物理网络,负责网络之间的数据包传输。
典型的Underlay网络
在Underlay网络中,互联的设备可以是各类型交换机、路由器、负载均衡设备、防火墙等,但网络的各个设备之间必须通过路由协议来确保之间IP的连通性。
Underlay网络可以是二层也可以是三层网络。其中二层网络通常应用于以太网,通过VLAN进行划分。三层网络的典型应用就是互联网,其在同一个自治域使用OSPF、IS-IS等协议进行路由控制,在各个自治域之间则采用BGP等协议进行路由传递与互联。随着技术的进步,也出现了使用MPLS这种介于二三层的WAN技术搭建的Underlay网络。
然而传统的网络设备对数据包的转发都基于硬件,其构建而成的Underlay网络也产生了如下的问题:
为了摆脱Underlay网络的种种限制,现在多采用网络虚拟化技术在Underlay网络之上创建虚拟的Overlay网络。
Overlay网络拓扑
在Overlay网络中,设备之间可以通过逻辑链路,按照需求完成互联形成Overlay拓扑。
相互连接的Overlay设备之间建立隧道,数据包准备传输出去时,设备为数据包添加新的IP头部和隧道头部,并且被屏蔽掉内层的IP头部,数据包根据新的IP头部进行转发。当数据包传递到另一个设备后,外部的IP报头和隧道头将被丢弃,得到原始的数据包,在这个过程中Overlay网络并不感知Underlay网络。
Overlay网络有着各种网络协议和标准,包括VXLAN、NVGRE、SST、GRE、NVO3、EVPN等。
随着SDN技术的引入,加入了控制器的Overlay网络,有着如下的优点:
Overlay网络在SD-WAN、数据中心两大解决方案中被广泛应用,由于其底层Underlay网络的架构也不尽相同,使得Overlay网络的拓扑存在不同的形式。
随着数据中心架构演进,现在数据中心多采用Spine-Leaf架构构建Underlay网络,通过VXLAN技术构建互联的Overlay网络,业务报文运行在VXLAN Overlay网络上,与物理承载网络解耦。
数据中心的Overlay网络
Leaf与Spine全连接,等价多路径提高了网络的可用性。
Leaf节点作为网络功能接入节点,提供Underlay网络中各种网络设备接入VXLAN网络功能,同时也作为Overlay网络的边缘设备承担VTEP(VXLAN Tunnel EndPoint)的角色。
Spine节点即骨干节点,是数据中心网络的核心节点,提供高速IP转发功能,通过高速接口连接各个功能Leaf节点。
SD-WAN的Underlay网络基于广域网,通过混合链路的方式达成总部站点、分支站点、云网站点之间的互联。通过搭建Overlay网络的逻辑拓扑,完成不同场景下的互联需求。
图1-5 SD-WAN的Overlay网络(以Hub-Spoke为例)
SD-WAN的网络主要由CPE设备构成,其中CPE又分为Edge和GW两种类型。
根据企业网络规模、中心站点数量、站点间互访需求可以搭建出多个不同类型的Overlay网络。
Overlay网络和Underlay网络的区别如下所示:
表1-1 Underlay网络 VS Overlay网络
对比项 |
Underlay网络 |
Overlay网络 |
数据传输 |
通过网络设备例如路由器、交换机进行传输 |
沿着节点间的虚拟链路进行传输 |
包封装和开销 |
发生在网络的二层和三层 |
需要跨源和目的封装数据包,产生额外的开销 |
报文控制 |
面向硬件 |
面向软件 |
部署时间 |
上线新服务涉及大量配置,耗时多 |
只需更改虚拟网络中的拓扑结构,可快速部署 |
多路径转发 |
因为可扩展性低,所以需要使用多路径转发,而这会产生更多的开销和网络复杂度 |
支持虚拟网络内的多路径转发 |
扩展性 |
底层网络一旦搭建好,新增设备较为困难,可扩展性差 |
扩展性强,例如VLAN最多可支持4096个标识符,而VXLAN则提供多达1600万个标识符 |
协议 |
以太网交换、VLAN、路由协议(OSPF、IS-IS、BGP等) |
VXLAN、NVGRE、SST、GRE、NVO3、EVPN |
多租户管理 |
需要使用基于NAT或者VRF的隔离,这在大型网络中是个巨大的挑战 |
能够管理多个租户之间的重叠IP地址 |