同样都是网络虚拟化技术，QinQ和VXLAN有啥区别？

你好，这里是网络技术联盟站，我是瑞哥。

公众号后台，有小伙伴想要了解一下QinQ和VXLAN，今天安排一下。

QinQ

QinQ，也称为双重VLAN标记，是一种用于扩展VLAN数量和提供多租户隔离的技术。它允许在标准的802.1Q标签之外，再增加一个802.1Q标签，从而形成“外层标签”和“内层标签”的双重标签结构。这种技术在服务提供商网络中尤为重要，因为它允许多个客户的VLAN流量通过服务提供商的骨干网传输，而无需为每个客户分配独立的VLAN ID。

VLAN的基础知识回顾

在深入了解QinQ之前，回顾一下VLAN的基础知识是必要的。VLAN（Virtual Local Area Network）是一种将物理网络划分为多个逻辑网络的技术，使不同VLAN中的设备无法直接通信，除非通过路由器或三层交换机。VLAN通过802.1Q标签实现，标签包含在以太网帧中，用于标识帧属于哪个VLAN。

在传统的802.1Q Tagging中，每个以太网帧包含一个VLAN标签，该标签由12位的VLAN ID字段组成，可以支持最多4096个VLAN。QinQ技术通过在帧中添加第二个802.1Q标签，使每个帧可以携带两个VLAN标签。外层标签通常由服务提供商网络处理，而内层标签则由客户网络处理。

QinQ的工作原理

802.1Q Tagging的机制

802.1Q Tagging在以太网帧的源地址和类型字段之间插入一个4字节的VLAN标签。这个标签包括：

• 2字节的TPID（Tag Protocol Identifier），通常是0x8100，表示这是一个802.1Q标签。
• 2字节的TCI（Tag Control Information），其中包含3位的优先级、1位的CFI（Canonical Format Indicator），和12位的VLAN ID。

802.1ad（QinQ）的双重Tagging机制

QinQ通过在标准的802.1Q标签之外再添加一个外层标签来实现。双重Tagging的机制如下：

• 首先，客户侧的网络设备在以太网帧中插入内层VLAN标签（通常为802.1Q标签）。
• 接着，服务提供商网络设备在帧中插入外层VLAN标签（QinQ标签），形成双重标签结构。

这种双重Tagging机制使得服务提供商可以将来自不同客户的帧使用不同的外层标签进行区分，而不影响内层标签的使用，从而实现大规模的VLAN扩展和多租户隔离。

内层和外层标签的处理过程

在QinQ技术中，外层标签和内层标签的处理方式如下：

• 添加标签：当帧进入服务提供商网络时，网络设备在帧上添加外层标签。
• 传输过程：帧在服务提供商网络中传输时，主要依赖外层标签进行转发和路由，而内层标签通常保持不变。
• 移除标签：当帧离开服务提供商网络并进入客户网络时，网络设备移除外层标签，恢复原始的内层标签。

QinQ的优点

扩展VLAN空间

通过在帧中使用双重标签，QinQ技术极大地扩展了可用的VLAN数量。理论上，QinQ可以支持高达16777216（4096x4096）个VLAN，相比传统的802.1Q的4096个VLAN具有显著的优势。这对于需要大量VLAN的网络环境（如大型数据中心或服务提供商网络）尤为重要。

提供多租户隔离

QinQ技术允许服务提供商在同一个网络中传输多个客户的流量，而不会发生混淆。这是通过在帧中引入外层标签来实现的，每个客户的流量都有独立的外层标签，从而实现多租户隔离。这对于服务提供商来说，不仅简化了网络管理，还增强了网络的安全性和可靠性。

简化服务提供商网络的管理

通过使用QinQ，服务提供商可以在骨干网中使用统一的VLAN管理方式，而不需要为每个客户配置复杂的VLAN策略。这不仅降低了管理的复杂性，还提高了网络的可扩展性和灵活性。

QinQ的实现与配置

配置QinQ技术时，不同厂商的交换机命令可能会有所不同，但基本步骤大致相似。以下是一个基于思科交换机的配置示例：

1. 启用QinQ功能

   switch(config)# interface GigabitEthernet0/1
   switch(config-if)# switchport mode dot1q-tunnel
   switch(config-if)# switchport access vlan 100
   switch(config-if)# exit

1. 配置外层VLAN

   switch(config)# vlan 100
   switch(config-vlan)# name Customer_A_QinQ
   switch(config-vlan)# exit

1. 配置内层VLAN

   switch(config)# interface GigabitEthernet0/2
   switch(config-if)# switchport mode trunk
   switch(config-if)# switchport trunk allowed vlan add 200-300
   switch(config-if)# exit

在一个典型的QinQ网络拓扑中，客户网络通过接入交换机连接到服务提供商的网络。配置步骤如下：

1. 配置客户侧交换机
   • 设置内层VLAN
   • 配置连接到服务提供商网络的接口为trunk模式
2. 配置服务提供商交换机
   • 启用QinQ功能
   • 配置外层VLAN
   • 设置连接到客户网络的接口为dot1q-tunnel模式
3. 测试和验证
   • 使用ping和traceroute等工具测试连接性
   • 检查VLAN标签的正确性

常见的配置问题和故障排除

1. 标签不匹配：确保内层和外层标签配置正确，并且标签不冲突。
2. 接口模式错误：检查接口模式是否正确配置为trunk或dot1q-tunnel。
3. VLAN ID冲突：确保不同客户的VLAN ID不会发生冲突。

QinQ的应用场景

大型企业网络

在大型企业网络中，QinQ技术可以用于划分和管理不同部门或分支机构的网络。通过使用双重标签，企业可以在不增加物理网络复杂性的情况下，实现灵活的网络分段和管理。

数据中心互连

数据中心通常需要支持大量的VLAN以隔离不同的服务和应用。QinQ技术通过扩展VLAN空间，使数据中心能够支持更多的VLAN，从而提高网络的灵活性和扩展性。

租户隔离和服务提供商网络

对于服务提供商来说，QinQ技术是实现多租户隔离的关键。通过在帧中引入外层标签，服务提供商可以将多个客户的流量安全地传输在同一个网络中，而不会发生流量混淆或泄露。

VXLAN

VXLAN（Virtual Extensible LAN）是一种覆盖网络技术，通过在现有IP网络基础上创建虚拟网络，使得虚拟机可以跨越不同的物理网络进行通信。VXLAN使用隧道技术，将以太网帧封装在UDP报文中，从而在IP网络上传输。VXLAN的主要目标是提供比传统VLAN更大的扩展性，支持大量的虚拟网络。

VXLAN与传统VLAN的区别

• 扩展性：传统VLAN使用12位VLAN ID，最多支持4096个VLAN。而VXLAN使用24位的VNID（VXLAN Network Identifier），理论上可以支持超过1600万个虚拟网络。
• 灵活性：VXLAN通过在IP网络上创建隧道，使虚拟机可以在不同的物理网络间自由迁移，而不受物理网络拓扑的限制。
• 封装方式：传统VLAN在二层网络中工作，而VXLAN通过在三层网络上封装以太网帧，使其可以在广域网和多数据中心之间进行传输。

VXLAN的主要组成部分

• VTEP（VXLAN Tunnel Endpoint）：VTEP是VXLAN的关键组件，负责封装和解封装VXLAN报文。每个VTEP有两个接口：一个连接到本地二层网络（虚拟网络），另一个连接到IP网络（物理网络）。
• VNID（VXLAN Network Identifier）：VNID是VXLAN中的虚拟网络标识符，用于区分不同的虚拟网络。
• VXLAN隧道：VXLAN隧道是在VTEP之间建立的，用于传输封装的以太网帧。

VXLAN的工作原理

VXLAN封装和解封装过程

1. 封装过程：
   • 当虚拟机发送以太网帧时，源VTEP接收到该帧。
   • 源VTEP在帧上添加VXLAN头部，其中包括VNID。
   • VXLAN报文被进一步封装在UDP报文中，然后在IP网络上传输。
2. 解封装过程：
   • 目标VTEP接收到VXLAN报文后，首先解封装UDP报文。
   • 根据VXLAN头部中的VNID，将以太网帧还原并转发到目标虚拟机。

数据平面的工作机制

VXLAN的数据平面通过隧道传输封装的以太网帧，主要包括以下步骤：

• 帧的封装：源VTEP将以太网帧封装为VXLAN报文。
• VXLAN报文传输：封装后的VXLAN报文在IP网络上进行传输。
• 帧的解封装：目标VTEP解封装VXLAN报文，恢复原始以太网帧。

控制平面的操作

VXLAN的控制平面用于管理和分发VTEP之间的隧道信息，主要包括以下几种方法：

• Flood and Learn：使用泛洪和学习机制，类似于传统二层网络，通过泛洪ARP请求来学习VTEP的IP地址。
• 集中式控制器：使用集中式控制器（如OpenFlow控制器）来管理和分发VXLAN隧道信息。
• BGP EVPN（Border Gateway Protocol Ethernet VPN）：使用BGP EVPN协议来分发VXLAN隧道信息和路由信息，提供更加可扩展和稳定的控制平面。

VXLAN的优点

大规模扩展性

VXLAN使用24位的VNID，可以支持超过1600万个虚拟网络，远远超过传统VLAN的4096个VLAN。这种大规模的扩展性使得VXLAN特别适合于需要大量虚拟网络的数据中心和云计算环境。

灵活的网络分段

VXLAN通过在IP网络上创建虚拟网络，使得虚拟机可以在不同的物理网络间自由迁移。这种灵活的网络分段能力，使得网络管理更加灵活，能够快速适应业务需求的变化。

简化跨数据中心的虚拟机迁移

通过VXLAN，虚拟机可以在不同的数据中心之间进行迁移，而无需重新配置网络。这对于跨数据中心的业务连续性和灾难恢复至关重要。

VXLAN的实现与配置

基本配置步骤

1. 配置VTEP：
   • 配置VTEP的本地接口，连接到本地虚拟网络。
   • 配置VTEP的IP接口，连接到IP网络。
2. 配置VXLAN隧道：
   • 在VTEP之间建立VXLAN隧道。
   • 为每个虚拟网络分配唯一的VNID。
3. 配置控制平面：
   • 选择合适的控制平面协议（如Flood and Learn、集中式控制器、BGP EVPN）。
   • 配置控制平面协议参数。

以下是一个基于思科交换机的配置示例，展示如何配置VXLAN：

1. 配置VTEP接口：

   interface nve1
     source-interface loopback0
     no shutdown

1. 配置VXLAN隧道：

   interface nve1
     member vni 5001
       ingress-replication protocol static
       peer-ip 192.168.1.1
       peer-ip 192.168.1.2

1. 配置BGP EVPN：

   router bgp 65000
     neighbor 192.168.1.1 remote-as 65000
     neighbor 192.168.1.2 remote-as 65000
     address-family l2vpn evpn
       neighbor 192.168.1.1 activate
       neighbor 192.168.1.2 activate

VXLAN的应用场景

数据中心网络

VXLAN特别适合于大型数据中心网络，通过提供大规模的虚拟网络和灵活的网络分段能力，使得数据中心能够快速适应业务需求的变化。同时，VXLAN支持跨数据中心的虚拟机迁移，增强了业务连续性和灾难恢复能力。

公有云和私有云环境

在公有云和私有云环境中，VXLAN可以提供多租户隔离和大规模的虚拟网络支持，满足不同租户的网络需求。通过VXLAN，云服务提供商可以提供更加灵活和可扩展的网络服务。

多租户网络

VXLAN的多租户隔离能力，使其非常适合于多租户网络环境。通过为每个租户分配独立的VNID，确保租户之间的流量隔离和安全性，提高网络的安全性和可靠性。

QinQ与VXLAN技术的对比

QinQ（802.1ad）是一种通过在以太网帧中添加双重VLAN标签来扩展VLAN空间和实现多租户隔离的技术。它允许服务提供商在其网络中传输多个客户的流量，而无需为每个客户分配独立的VLAN ID。

VXLAN（Virtual Extensible LAN）是一种覆盖网络技术，通过在IP网络上创建虚拟网络来扩展虚拟机之间的通信范围。VXLAN使用隧道技术，将以太网帧封装在UDP报文中，从而在IP网络上传输，支持大规模的虚拟网络。

技术架构对比

• QinQ架构：
  • 基于二层网络，通过双重VLAN标签扩展VLAN空间。
  • 主要用于服务提供商网络，实现多租户隔离。
  • 需要物理网络设备支持QinQ功能。
• VXLAN架构：
  • 基于三层网络，通过在IP网络上创建虚拟网络。
  • 主要用于数据中心网络，支持虚拟机的跨物理网络通信。
  • 依赖VTEP进行封装和解封装，支持更大的网络扩展性。

性能对比

• QinQ性能：
  • 在二层网络中工作，封装开销较小，延迟较低。
  • 适用于需要低延迟的网络环境。
  • 随着网络规模的增加，管理复杂性和标签冲突可能增加。
• VXLAN性能：
  • 封装在UDP报文中，增加了封装开销和网络延迟。
  • 支持硬件加速的设备可以显著提高封装和解封装效率。
  • 具有更好的可扩展性，适合大规模网络环境。

可扩展性对比

• QinQ可扩展性：
  • 使用双重VLAN标签，理论上可以支持16777216（4096x4096）个VLAN。
  • 适用于中等规模的网络，特别是服务提供商网络。
• VXLAN可扩展性：
  • 使用24位VNID，支持超过1600万个虚拟网络。
  • 适用于大规模的数据中心和云计算环境。

管理和配置对比

• QinQ管理和配置：
  • 配置较为简单，依赖交换机的VLAN配置。
  • 随着网络规模增加，管理复杂性可能增加。
• VXLAN管理和配置：
  • 配置较为复杂，需要配置VTEP和控制平面协议。
  • 使用BGP EVPN等协议可以简化大规模网络的管理。

应用场景对比

• QinQ应用场景：
  • 服务提供商网络，实现多租户隔离。
  • 大型企业网络，扩展VLAN空间。
  • 数据中心互连，提供跨数据中心的VLAN扩展。
• VXLAN应用场景：
  • 大型数据中心网络，支持大规模虚拟网络。
  • 公有云和私有云环境，提供多租户隔离。
  • 跨数据中心的虚拟机迁移，实现业务连续性。

这里方便大家记忆，瑞哥将对比整理成表格：

QinQ与VXLAN技术对比表

在一些复杂的网络环境中，仅使用QinQ或VXLAN可能无法满足所有需求。例如，在一个服务提供商网络中，可能需要利用QinQ实现多租户隔离，同时使用VXLAN支持虚拟机的跨数据中心迁移。因此，集成QinQ和VXLAN技术可以充分发挥它们各自的优势，提供更加灵活和可扩展的网络解决方案。

总结

QinQ和VXLAN作为两种先进的网络虚拟化技术，各自具有独特的优势和适用场景。通过详细对比QinQ和VXLAN的技术特点、性能、可扩展性和应用场景，本文分析了如何在实际网络中集成这两种技术，以充分发挥它们的优势。尽管集成应用面临一些挑战，但通过合理的设计和管理，可以实现灵活、可扩展和高性能的网络架构。