网络虚拟化协议GENEVE

2020-07-01 00:00:00 数据 虚拟 协议 网络 数据流

去年看到过一篇文章[1]，说是通过OpenVSwitch的测试，GENEVE的性能要略优于VXLAN。我相信大多数人的反应可能跟我的反应一样，这不又是一种Overlay协议吗？为什么性能会更好？难道有什么黑科技？我们这次来分析一下GENEVE有什么不一样。

网络虚拟化

要说清楚来龙去脉，需要从网络虚拟化开始说起。网络虚拟化（Networking Virtualization）是在一个underlay网络上划分出多个overlay网路。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。网络虚拟化本身不是一个新的技术，从其诞生之日起，各种各样的协议就被提出，远的有VLAN（IEEE 802.1Q）、MPLS（RFC3031），近的有VXLAN（RF7348）、NVGRE（RFC7637），STT。那究竟是网络虚拟化的什么特性，导致了这么多相关的协议被提出？

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）。

虚机间的网络数据基本都是以太帧，但是不同的应用场景，系统规模，对于协议的要求也不一样。所以才会有这么多网络虚拟化协议。目前的各种网络虚拟化的协议，本质上来说都是一样的。那就是，以一定的格式封装原始网络数据，再辅以一定的元数据（metadata），来实现附加的功能。元数据对于网络虚拟化来说不是一个陌生的概念，网络标识符（Virtual Network Identifier，VNI）就是一种元数据。通过VNI可以识别并隔离多个租户（tenant）网络。

现在比较流行的网路虚拟化协议是VXLAN，有24bit的VNI，可以对应1600万个不同的tenant网络。VXLAN的提出常常说是为了解决VLAN（12bit VNI）所提供的租户网络数不够的问题。现在来看1600万这个数字是足够大了，但是能保证以后一直够用吗？因为在VLAN被提出的时候，4000多个租户网络已经很够用了。只是随着云计算和数据中心规模的发展，渐渐变的不够用。那么激进点看，随着技术的发展，24bit的VNI会不会也有不够用的一天？

退一步说，就算24bit的VNI是够用的，现在一些新的应用需要网络虚拟化协议里面携带其他的元数据。例如加入port ID来作为安全规则的识别符。假设port ID是16bit，那24bit的VNI只剩下8bit用来标识租户网络，这明显是不够用的。

所以，尽管现有的网络虚拟化协议能满足当前的需求，但是随着技术的发展和使用场景的变化，并不能保证它们能够一直满足需求。解决办法有两种，一种是到时候再定义新的协议，另一种是定义一种灵活，可扩展的网络虚拟化协议。GENEVE采用的是后者。

GENEVE

GENEVE这个单词对应的是瑞士城市日内瓦，但是这个网络协议本身与日内瓦应该没什么关系。这个单词是Generic Network Virtualization Encapsulation的简称，对应中文是通用网络虚拟化封装，由IETF草案定义[2]。

GENEVE的作者称，他们考虑了所有可能的应用场景，发现一个固定长度的元数据（例如前面提到的VNI）不能适应所有可能的场景。同时，他们也参考了其他一些常青的协议，例如BGP，LLDP，IS-IS。这些协议已经存在几十年了，并且现在还很流行。背后的原因在于，这些协议并不是一成不变，而是随着技术的发展，支持了新功能的扩展。例如BGP，基本的路由选择算法一直没有改变，但是却从只支持IPv4到支持IPv6，VPNv4,VPNv6等其他地址族。

所以，他们提出了一种网络虚拟化协议，这个协议的元数据本身是可扩展的。这样，就算需求变化了，这个协议也能扩展以满足需求。这个协议就是GENEVE。

在实现上，GENEVE与VXLAN类似，仍然是Ethernet over UDP，也就是用UDP封装Ethernet。VXLAN header是固定长度的（8个字节，其中包含24bit VNI），与VXLAN不同的是，GENEVE header中增加了TLV（Type-Length-Value），由8个字节的固定长度和0~252个字节变长的TLV组成。GENEVE header中的TLV代表了可扩展的元数据。我们来看一下GENEVE header：

  • Version（2bit）：没什么好说的，目前是0
  • Opt Len（6bit）：以4字节为单位，表明Variable Length Options的长度。因为只有6bit，所以Variable Length Options多是252（63*4）字节。
  • O（1bit）：表明这是一个OAM包，包含了控制信息，而非数据。Endpoint可以根据这个bit来优先处理这个包。
  • C（1bit）：表明在Variable Length Options里面，存在一个或者多个Critical的option。当C被置位时，Variable Length Options必须被解析，如果当前Endpoint不支持GENEVE解析，那么应该丢弃数据包。如果C没有被置位，那么Endpoint可以根据Opt Len直接丢弃所有的Variable Length Options。
  • Rsvd.（6bit）：保留字段。
  • Protocol Type（16bit）：被封装的协议类型，例如Ethernet就是0x6558。这个字段的存在，使得GENEVE封装其他的二层协议成为可能。
  • VNI（24bit）：老朋友了。
  • Reserved（8bit）：保留字段。
  • Variable Length Options：由TLV构成，包含了可扩展的元数据。

性能考虑

从协议格式可以看出，GENEVE与其他网络虚拟化协议的主要区别在于一个长度可变的header。这使得GENEVE变得灵活，可扩展。但是可扩展和高性能从来都是矛盾的。因为可扩展意味着更多的元数据来支持更多的功能，而高性能却要求更少的数据传输和处理。对此GENEVE定义了O和C位（参见上面协议格式分析），使得Endpoint能够更灵活的处理数据，以减少额外的元数据对性能带来的影响。

控制层考虑

尽管某些网络虚拟化协议里面包含了对控制层的描述，例如VXLAN（RFC7348）就包含了一个基于组播的learn-flood控制层，但是在实际使用中，这些协议通常只被当做数据格式的描述。试问多少人知道RFC7348里面有基于组播的flood-learn？

另外，在VXLAN的使用过程中，控制层可能有很多种，例如EVPN，例如SDN controller。这两种控制层比基于组播的控制层要流行的多。而所有这些控制层之间的差别是巨大的。

所以，GENEVE的作者认为，GENEVE应该只关注协议数据格式。他们力求设计一种适用于多种控制层的协议，而非只针对某一种控制层。这样就算控制层变化了，协议本身也不至于被弃用。

underlay负载均衡考虑

几乎所有的underlay网络（例如CLOS架构）都会利用多条等价路径（ECMP）来提高传输的并发性。我们把两个虚机之间的一个传输层连接称为一个数据流。为了达到好的负载均衡的性能，不同的数据流应当被分布到不同的线路上。而相同的数据流应当被分到同一个线路上，这样才能保证数据的顺序，减少不必要的确认重传。

对于GENEVE来说，因为Ethernet Frame被封装在UDP里面，ECMP设备看到的不是虚机的IP/MAC，而是Tunnel Endpoint的IP/MAC。每个Tunnel Endpoint可能连接多个不同的虚机，而对于两个相同Tunnel Endpoint之间的网络流量，在underlay网络上能看到的不一样的地方就是外层UDP的source port。因此，GENEVE规定，使用外层UDP的source port用来标识实际的数据流。首先，对于同一个数据流来说，外层UDP的source port应该是一样的，其次这个UDP source port，应该根据实际的数据流计算得出，例如根据数据流的五元组。这样，ECMP设备不需要读取内层报文的信息，只需要根据外层UDP的source port，就能完成ECMP的路径选择算法。而这个时候的UDP source port，也不再标识一个UDP连接，而是用来标识overlay的数据流。为了减少重复，GENEVE协议认为应该使用source port的整个16bit（而不是常用的50000-65535）。

兼容性考虑

如果你熟悉VXLAN或者NVGRE的协议格式，你可能已经发现了，如果不考虑Variable Length Options，GENEVE与VXLAN还有NVGRE是不冲突的。特别是VXLAN，也是将Ethernet Frame封装在UDP里面，这样，一些现有的针对VXLAN的优化，例如硬件offload，RSS，可以直接应用在GENEVE上。

OVN

OpenVSwitch的衍生项目OVN（Open Virtual Network）应该是GENEVE的大拥趸。本文开始提到的文章[1]，也是出自OVN的开发人员。根据OVN的文档[3]，OVN只支持GENEVE和STT作为网络虚拟化协议。这是因为OVN除了24bit的VNI之外，还要在overlay数据中传输15bit的源网络端口，和16bit的目的网络端口，以支持更高效的ACL和组播。GENEVE因为是可扩展的，自然是支持传递额外的元数据。STT因为本身的元数据是64bit的，也放得下OVN想要传递的内容。至于其他的协议，例如VXLAN，NVGRE，是没有可能满足OVN的需求。

我们再回过头来看看[1]，为什么测试结果显示GENEVE性能要略优于VXLAN。由于VXLAN的普及，目前支持GENEVE的硬件不多，所以测试都是在支持VXLAN RSS的网卡上进行。并且在测试中，GENEVE还额外传递了OVN所需的15bit的源网络端口，和16bit的目的网络端口，也就是说，GENEVE传递的数据更多。

尽管有这些因素的存在，GENEVE的结果要好于VXLAN。首先，这个结果表明了，GENEVE能很好的兼容VXLAN，因为就算是VXLAN的主场，GENEVE后还是赢了。但是兼容性并不能解释后的现象，文章本身也没有分析原因，只是提到了UDP checksum。OVN默认打开了GENEVE上的UDP checksum。因为Linux系统内核的一些优化，使得GENEVE数据包被网卡收到之后，网卡会计算并验证外层UDP的checksum。如果验证通过了，网卡会汇报给系统内核。这样系统内核在解析GENEVE时，将不再计算内层报文的任何checksum。相应的网络数据处理会更快一些。而VXLAN协议规定外层UDP的checksum应该为0，这样外层UDP的checksum就没有办法被验证，而内层报文的checksum需要再计算一遍，相应的网络数据处理就要慢一点。

[1] blog.russellbryant.net/

[2] tools.ietf.org/html/dra

[3] openvswitch.org//suppor

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