SDN Overlay网络中虚机到物理机的数据包的转发

在之前我们讨论了SDN Overlay 网络中5个不同场景下虚机数据包如何转发，今天我们将继续讨论处于Overlay网络中的虚机如何与物理机进行数据转发。有关于微软网络虚拟化HNV的相关概念，如RDID、VSID、虚机网络、虚拟子网、默认网关等，可以参考：

1. http://www.epubit.com.cn/article/988（网络虚拟化HNV Overlay子网和分布式路由 ）

2. http://www.epubit.com.cn/article/1021 （微软软件定义网络HNV Overlay网络PA和CA地址 ）

在开始今天的讨论之前，我们需要引入一个概——HNV网关，也即转发网关，转发网关在SDN Overlay场景中的主要目的有3个：

1. 通过NAT实现Overlay网络中虚机访问外部网络（Internet）

2. 通过NAT或直接路由功能实现Overlay网络中虚机访问物理网络上的设备

3. 外部网络到Overlay网络的S2S VPN。

HNV网关可由启用了RRAS功能的Windows Server （2012及后续版本）虚机实现，也可以由支持NVGRE/VXLAN的物理网络设备来支持，如Cisco、F5、 Iron Network以及nAppliance等都提供相应的网络设备。

       我们这次设定的场景如图1所示，2台虚机VM1和VMgwca在不同的虚拟子网，分别运行在不同的物理机上，VMgwca作为VM1所在的虚拟子网的转发网关。VMgwca具备至少2个网卡：一个网卡关联HNV逻辑网络，连接和VM1相同的虚机网络（RDID相同），一个网卡连接物理网络（我们可称之为外部网络）。启用了HNV网关特性也意味着2块网卡所在的子网也默认启用了静态路由。

图1

VM1的IP地址为172.16.188.2，MAC地址为MACvm1,VSID为11111。

VMgwca的内部IP地址为192.168.188.2，MAC地址为MACgwca，VSID为22222；外部地址为10.1.21.16，外部网卡MAC地址为MAClan。

当虚机VM1需要和外部网络的主机10.1.21.18通信时，数据流是怎样的呢，下面我们对这一场景的数据流进行详细的描述：

1. 因为IP地址不在同一个子网，所以VM1发送ARP消息询给默认网关，而不是直接发送给目标IP地址。
2. Hyper-V虚拟交换机广播ARP到HNV Filter
3. HNV Filter返回默认网关的MAC地址MACdfgw, MACdfgw就是HNV Filter自身。
4. VM1学习到默认网关的MAC地址为MACdfgw，其VSID为11111 (默认网关的MAC地址MACdfgw包含在OOB数据里)。
5. VM1封装IP数据包，目的IP为默认网关的IP地址，目的MAC地址为MACdfgw。
6. IP数据包发送到Hyper-V虚拟交换机，虚拟交换机获取到发送虚机的网卡VSID 11111的OOB数据。
7. HNV Filter 查询到去往10.1.21.xx子网的客户路由的下一跳为192.168.188.2（转发网关）。
8. HNV Filter 使用其查找记录来确定下一跳虚机（转发网关）的PA地址。如果没有找到PA地址记录，那么数据包将被丢弃。
9. 接着HNV Filter 重写数据包，以将目的MAC地址更改为MACgwca（转发网关的MAC地址）
10. HNV Filter 在查找记录里查询到gwca的CA地址为192.168.188.2，MAC地址MACdfgw，VSID为22222，PA地址为10.2.41.206，于是HNV Filter将获取到的这些信息和原始IP数据包使用NVGRE/VXLAN进行二次封装。外部数据包中，目的IP地址为gwca的的PA地址10.2.41.206，目的MAC地址为MACdfgw，VSID为22222，如图2绿色部分所示。
11. 二次封装的数据包通过传输网络栈传输到网络上。
12. IP地址为10.2.41.206以及MAC地址为MACPA2的Hyper-V物理机接收到数据包，然后发送到HNV Filter
13. HNV Filter拆开封装的包，获取到原始数据包，以及包含了VSID 22222的OOB数据。
14. HNV Filter将原始数据包转发到具有VSID为22222的Hyper-V虚拟交换机。
15. Hyper-V虚拟交换机按照访问控制策略将原始数据包发送到目标虚机（转发网关虚机）。在整个过程中，源和目标虚机都没能感知封装的存在。而此时，数据包已经到达转发网关虚机gwca。
16. 转发网关虚机将数据包在自己2块不同的网卡之间转发（连接内部网络的网卡转发到连接外部网络的网卡）
17. 转发网关虚机的连接到物理Underlay网络的网卡将当前MAC地址更改为目的物理服务器的MAC地址MACphy
18. 物理服务器接收到数据包，但是并不知道该数据包来自虚拟网络。

图2