BGP EVPN VXLAN 数据中心网络多播与单播模式详解
在设计和构建基于 BGP EVPN VXLAN 的数据中心网络底层时，需要考虑不同模式的选择及其优缺点。下面将详细介绍单播模式和组播模式。
单播模式
在单播模式下，入口 VTEP（VXLAN 隧道端点）会复制数据包，并将其发送到属于同一 VNI（VXLAN 网络标识符）的相邻 VTEP。例如，主机 A（192.168.1.101）连接到 VTEP V1，它发送一个 ARP 请求来解析连接到 VTEP V2 的主机 B（192.168.1.102）的 IP 到 MAC 绑定。这两个主机属于与 VNI 30001 关联的同一 IP 子网 192.168.1.0/24。为了处理这个 BUM（广播、未知单播、组播）数据包，VTEP V1 会发出两个包含该 ARP 请求有效负载的单播数据包，一个发往 VTEP V2，另一个发往 VTEP V3。
单播模式有两种配置选项：
-
静态配置
：在每个 VTEP 上配置感兴趣的 VTEP 列表。例如：
interface NVE 1
source-interface loopback1
member vni 30001
ingress-replication protocol static
peer-ip n.n.n.n
静态配置会降低可扩展性，因为网络中添加任何新的 VTEP 或 VNI 都需要在每个相邻 VTEP 上重新配置。
-
动态配置
：使用控制协议（如 BGP EVPN）在网络中分发兴趣信息。例如：
interface NVE 1
source-interface loopback1
member vni 30001
ingress-replication protocol bgp
BGP EVPN 支持单播模式，它通过 Route type 3（包含组播）消息分发 VTEP 和 VNI 成员信息，但数据复制是由 VTEP 在数据平面执行的。
无论采用静态还是动态配置，对于每个多目标数据包，VTEP 都需要生成 N - 1 个副本。使用 BGP EVPN 控制协议时，VTEP 邻居的发现更加动态。接收 VTEP 可以通过 EVPN 广告其兴趣，从而动态添加到发送 VTEP 的复制列表中。而静态模式下，只要发送 VTEP 配置了对等 VTEP 列表，就会向列表中的每个成员发送副本，而不考虑接收 VTEP 的兴趣程度。
单播模式的优点是不需要额外的协议（如 PIM）或组播专业知识来维护底层网络。但它比组播模式效率低，因为组播模式不需要入口 VTEP 传输单个数据包的多个副本，底层的 IP 组播可以高效地将多目标流量传输到感兴趣的 VTEP，而不会给 VTEP 增加额外负担。
以下是单播模式的优缺点对比表格：
| 优点 | 缺点 |
| — | — |
| 无需额外协议和组播专业知识 | 效率低于组播模式 |
| 网络交换机支持即可使用 | 静态配置可扩展性低 |
组播模式
使用组播模式在 VXLAN 上传输多目标流量时，VTEP 和 spine - leaf 网络中配置的组播路由应与单播路由一样具有弹性。
首先，需要了解参与底层网络（通常由 spine 和 leaf 组成，承载 VTEP）的网络交换机的能力，因为并非所有类型的网络交换机都支持所有组播复制模式。Cisco 交换机采用两种支持组播的底层模式：
-
PIM 任意源组播（PIM ASM）
：有时也称为 PIM 稀疏模式（PIM SM），在 VTEP 上创建源树（S,G）。每个 VTEP 既是源也是接收器，多个源树可以在参与给定组播组的每个 VTEP 上创建。RP（会合点）位于 spine 层，通过 Anycast RP 可以将 RP 分布在所有可用的 spine 上，同时看起来像一个单一的 RP。
-
双向 PIM（PIM BiDir）
：创建双向共享树（*,G），这些树以 RP 为根，RP 作为路由向量。PIM BiDir 针对多对多通信进行了优化，所有共同的源和接收器都在同一棵树上。
在 VXLAN 网络中，由 Layer 2 VNI 标识的网络是一个 Layer 2 段，该网络中产生的任何 BUM 流量都必须发送到属于该 VNI 的所有节点。通常，Layer 2 VNI 与一个组播组关联，并且在同一 VXLAN 网络的所有交换机上采用相同的 [VNI, 组播组] 配置。所有交换机必须配置为支持相同的 PIM 组播模式，否则无法保证 VNI 内的多目标 BUM 流量得到适当转发。
例如，在一个具有四个 leaf 和两个 spine 的 VXLAN 网络中，如果两个 leaf 仅支持 PIM ASM，而另外两个 leaf 仅支持 PIM BiDir，则无法保证 VNI 内的多目标 BUM 流量得到正确转发。同样，如果一些 leaf 支持单播模式，而另一些 leaf 支持组播模式，则相同的 Layer 2 VNI 不能在它们之间扩展。
以下是组播模式的流程 mermaid 图：
graph LR
A[VTEP 接收 BUM 流量] --> B[封装为 VXLAN 数据包]
B --> C[设置外层目的 IP 为组播组地址]
C --> D[底层组播路由传输]
D --> E[感兴趣的 VTEP 接收数据包]
组播模式需要底层支持组播路由，因此依赖于 PIM。在 PIM ASM 或 PIM BiDir 组播网络中，需要一个 RP。spine 是托管 RP 的理想位置，因为任何在 leaf 之间传输的流量都会经过 spine。
PIM 任意源组播（ASM）
在 PIM ASM 中，每个 VTEP 都可以为给定的组播组发送和接收组播流量，因此每个 VTEP 既是源也是接收器。多个源树可以在参与给定组播组的每个 VTEP 上创建，RP 位于 spine 层。
Anycast RP 是一种将 RP 分布在所有可用 spine 上，同时看起来像一个单一 RP 的方法。它有两种不同的模式：一种使用组播源发现协议（MSDP），另一种将 Anycast RP 集成到 PIM 中。这里主要介绍 PIM Anycast RP。
以下是 Spine#1 的 PIM Anycast RP 配置示例：
! Anycast-RP Configuration on Spine#1
ip pim rp-address 10.254.254.254
ip pim anycast-rp 10.254.254.254 10.254.254.1 (Spine#1 IP)
ip pim anycast-rp 10.254.254.254 10.254.254.2 (Spine#2 IP)
ip pim anycast-rp 10.254.254.254 10.254.254.3 (Spine#3 IP)
ip pim anycast-rp 10.254.254.254 10.254.254.4 (Spine#4 IP)
! Loopback Interface Configuration (RP) on Spine#1
interface loopback 200
ip address 10.254.254.1/32
ip pim sparse-mode
! Loopback Interface Configuration (Anycast RP) on Spine#1
interface loopback 254
ip address 10.254.254.254/32
ip pim sparse-mode
在 leaf 上配置 Anycast RP 时，需要验证 P2P 链路上的组播对等是否启用，并且需要全局或按组播组定义 RP。以下是 leaf 的配置示例：
ip pim rp-address 10.254.254.254
PIM ASM 除了创建 PIM Anycast RP 所需的额外环回接口外，配置量相对较少。
双向 PIM（PIM BiDir）
PIM BiDir 提供了一种在组播模式下实现多目标流量复制的不同方式。与 PIM ASM 不同，PIM BiDir 为每个组播组创建一个双向共享树（*,G），这些树以 RP 为根，RP 作为路由向量。
PIM BiDir 针对多对多通信进行了优化，所有共同的源和接收器都在同一棵树上。RP 不具有实际的协议功能，只是作为路由向量，所有多目标流量都会汇聚到 RP。
为了实现冗余，PIM BiDir 使用 Phantom RP。Phantom RP 是一个未分配给任何特定 spine 的 IP 地址，通过使用不同前缀长度的逻辑环回接口来保证到 RP 的一致路径。
以下是 Spine#1（主路由器）的 Phantom RP 配置示例：
! Defining Phantom Rendezvous-Point Spine#1
ip pim rp address 10.254.254.254 bidir
! Loopback Interface Configuration (RP) (Redundancy)
interface loopback 254
ip address 10.254.254.253/30
ip pim sparse-mode
以下是 Spine#2（备份路由器）的 Phantom RP 配置示例：
! Defining Phantom Rendezvous-Point Spine#2
ip pim rp address 10.254.254.254 bidir
! Loopback Interface Configuration (RP) (Redundancy)
interface loopback 254
ip address 10.254.254.253/29
ip pim sparse-mode
leaf 上的配置示例如下：
ip pim rp address 10.254.254.254 bidir
如果只使用 Phantom RP 进行冗余，leaf 上的配置与单 RP 配置相同。在需要进行负载均衡的情况下，可以将组播组范围划分为多个切片，为每个切片创建一个 Phantom RP。
例如，将组播组划分为 239.239.0.0/24 和 239.239.1.0/24 两个范围，Spine#1 作为 239.239.0.0/24 范围的活动 Phantom RP，Spine#2 作为 239.239.1.0/24 范围的活动 Phantom RP。以下是 Spine#1 的配置示例：
! Defining Phantom Rendezvous-Point Spine#1
ip pim rp address 10.254.254.254 bidir group 239.239.0.0/24
ip pim rp address 10.254.253.254 bidir group 239.239.1.0/24
! Loopback Interface Configuration (RP) (Redundancy)
interface loopback 254
ip address 10.254.254.253/30
ip pim sparse-mode
! Loopback Interface Configuration (RP) (Redundancy)
interface loopback 253
ip address 10.254.253.253/29
ip pim sparse-mode
以下是 Spine#2 的配置示例：
! Defining Phantom Rendezvous-Point Spine#2
ip pim rp address 10.254.254.254 bidir group 239.239.0.0/24
ip pim rp address 10.254.253.254 bidir group 239.239.1.0/24
! Loopback Interface Configuration (RP) (Redundancy)
interface loopback 254
ip address 10.254.254.253/29
ip pim sparse-mode
! Loopback Interface Configuration (RP) (Redundancy)
interface loopback 253
ip address 10.254.253.253/30
ip pim sparse-mode
leaf 上的配置示例如下：
ip pim rp address 10.254.254.254 bidir group 239.239.0.0/24
ip pim rp address 10.254.253.254 bidir group 239.239.1.0/24
在这种配置下，通过单播路由的最长前缀匹配来确定活动的 Phantom RP。如果 Spine#1 发生故障，单播路由会自动选择 Spine#2，从而实现冗余。所有的故障转移和负载均衡都在单播路由层进行，只有一小部分与组播路由层相关。
综上所述，根据底层网络的需求，可以选择不同的方式来有效地传输多目标流量或 BUM 流量。组播是多目标流量复制的最佳方法，但单播模式的入口复制也是一种可行的替代方案，尽管有一些限制。随着 VXLAN 网络的发展，特别是 leaf 或 VTEP 规模的增加，BUM 复制也需要实现更大的规模。组播模式提供了实现这一目标的最有效方法。如果创建多个 VTEP 的 BUM 流量单个数据包副本对性能影响不大，入口复制可以在一定的规模限制内完成任务。然而，随着在 VXLAN 覆盖层上支持租户组播流量的需求日益增加，组播模式的优势将更加明显。
BGP EVPN VXLAN 数据中心网络多播与单播模式详解
不同模式的性能与扩展性分析
为了更清晰地了解单播模式和组播模式在不同场景下的表现，我们对它们的性能和扩展性进行详细分析。
单播模式性能与扩展性
单播模式在小规模网络中具有一定的优势。由于不需要额外的组播协议支持，网络配置相对简单，对于一些对网络复杂性要求较低的环境较为适用。然而，随着网络规模的扩大，尤其是 VTEP 数量的增加，单播模式的性能瓶颈逐渐显现。
在单播模式下，每个 VTEP 对于多目标数据包都需要进行复制和发送，这会导致网络流量大幅增加。例如，当有 N 个 VTEP 属于同一个 VNI 时，每个多目标数据包都需要生成 N - 1 个副本，这无疑会给网络带宽和 VTEP 的处理能力带来巨大压力。
静态配置的单播模式可扩展性较差，因为每次添加新的 VTEP 或 VNI 都需要对相邻 VTEP 进行重新配置，这在大规模网络中是非常繁琐且容易出错的。而动态配置虽然可以通过 BGP EVPN 实现 VTEP 邻居的动态发现，但仍然无法避免数据包复制带来的性能问题。
以下是单播模式在不同规模网络下的性能对比表格：
| 网络规模（VTEP 数量） | 数据包复制数量 | 网络带宽压力 | VTEP 处理压力 |
| — | — | — | — |
| 小规模（< 10） | 较少 | 低 | 低 |
| 中等规模（10 - 50） | 适中 | 中等 | 中等 |
| 大规模（> 50） | 大量 | 高 | 高 |
组播模式性能与扩展性
组播模式在处理多目标流量时具有明显的性能优势。通过底层的 IP 组播，多目标流量可以高效地传输到感兴趣的 VTEP，而不需要入口 VTEP 进行数据包复制，大大减轻了网络带宽和 VTEP 的处理负担。
在扩展性方面，组播模式也表现出色。只要底层网络支持组播路由，并且所有交换机配置为支持相同的 PIM 组播模式，就可以方便地扩展网络规模。例如，可以轻松地添加新的 VTEP 或 VNI，而不需要对整个网络进行大规模的重新配置。
然而，组播模式也存在一些挑战。它需要底层网络支持组播路由，依赖于 PIM 协议，这增加了网络配置的复杂性。同时，在一些不支持组播的网络环境中，无法使用组播模式。
以下是组播模式在不同规模网络下的性能对比表格：
| 网络规模（VTEP 数量） | 数据包复制数量 | 网络带宽压力 | VTEP 处理压力 |
| — | — | — | — |
| 小规模（< 10） | 无 | 低 | 低 |
| 中等规模（10 - 50） | 无 | 低 | 低 |
| 大规模（> 50） | 无 | 低 | 低 |
模式选择建议
根据上述对单播模式和组播模式的性能与扩展性分析，我们可以给出以下模式选择建议：
-
小规模网络
：如果网络规模较小，VTEP 数量较少，且对网络复杂性要求较低，可以考虑使用单播模式。静态配置或动态配置的单播模式都可以满足需求，具体选择可以根据网络的变化频率来决定。如果网络变化较少，静态配置即可；如果网络变化频繁，建议使用动态配置。
-
大规模网络
：对于大规模网络，尤其是 VTEP 数量较多的情况，组播模式是首选。组播模式可以有效地减少网络流量，提高网络性能和可扩展性。在选择组播模式时，需要根据网络设备的能力选择合适的 PIM 模式（PIM ASM 或 PIM BiDir），并合理配置 RP。
-
对组播支持有限的网络
：如果网络环境对组播支持有限，无法使用组播模式，可以选择单播模式。但需要注意单播模式在大规模网络中的性能瓶颈，尽量控制网络规模或对网络进行优化。
总结
在设计和构建基于 BGP EVPN VXLAN 的数据中心网络底层时，单播模式和组播模式各有优缺点。单播模式配置简单，不需要额外的组播协议支持，但在大规模网络中性能较差，可扩展性有限。组播模式可以高效地处理多目标流量，具有良好的扩展性，但需要底层网络支持组播路由，配置相对复杂。
在实际应用中，应根据网络规模、网络设备能力、对网络性能和可扩展性的要求等因素综合考虑，选择合适的模式。同时，合理配置和优化所选模式，以确保网络的高效运行。随着 VXLAN 网络的不断发展，对多目标流量复制的需求也会越来越高，组播模式的优势将更加明显。因此，在条件允许的情况下，建议优先考虑使用组播模式。
以下是选择模式的决策 mermaid 图：
graph TD
A[开始] --> B{网络规模大小}
B -->|小规模| C{是否对网络复杂性要求低}
C -->|是| D[单播模式]
C -->|否| E{是否支持组播}
E -->|是| F[组播模式]
E -->|否| D
B -->|大规模| E
通过对单播模式和组播模式的深入了解和合理选择，可以为 BGP EVPN VXLAN 数据中心网络提供高效、可靠的多目标流量传输解决方案。
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