VXLAN là gì? So sánh VXLAN và VLAN chi tiết

VXLAN là công nghệ ảo hóa mạng cho phép mở rộng Layer 2 trên hạ tầng Layer 3, giúp khắc phục những hạn chế của VLAN trong các mô hình Data Center và Cloud Computing hiện đại. Trong bài viết này, VNPT Cloud sẽ giải thích VXLAN là gì, cách hoạt động, ưu điểm, hạn chế và sự khác biệt giữa VXLAN và VLAN. 

VXLAN là gì?

VXLAN (Virtual Extensible LAN) là giao thức ảo hóa mạng cho phép mở rộng mạng Layer 2 trên hạ tầng Layer 3. Thay vì phụ thuộc vào phạm vi của mạng LAN vật lý, VXLAN tạo ra một lớp mạng phủ (Overlay Network), giúp các thiết bị ở nhiều mạng Layer 3 khác nhau vẫn có thể giao tiếp như đang nằm trong cùng một mạng Layer 2.

Để thực hiện điều này, VXLAN sử dụng cơ chế MAC-in-UDP, tức là đóng gói toàn bộ Ethernet Frame bên trong một gói tin UDP trước khi truyền qua mạng IP. Quá trình đóng gói và giải đóng gói được thực hiện bởi VXLAN Tunnel Endpoint (switch, router hoặc hypervisor). Nhờ cơ chế này, lưu lượng Layer 2 có thể truyền xuyên qua hạ tầng Layer 3 mà không làm thay đổi địa chỉ IP của máy chủ hoặc máy ảo.

Bên cạnh khả năng mở rộng phạm vi kết nối, VXLAN còn khắc phục giới hạn về số lượng mạng ảo của VLAN truyền thống. Trong khi VLAN chỉ hỗ trợ tối đa 4.094 VLAN nhờ trường VLAN ID 12 bit, VXLAN sử dụng VXLAN Network Identifier (VNI) có kích thước 24 bit, cho phép tạo tới 16.777.216 mạng logic độc lập. Điều này đáp ứng tốt nhu cầu phân tách mạng cho các trung tâm dữ liệu (Data Center) và môi trường điện toán đám mây có quy mô lớn.

Một số công nghệ tương tự VXLAN

Trước và sau khi VXLAN ra đời, nhiều giao thức khác cũng được phát triển với mục tiêu mở rộng mạng Layer 2 trên hạ tầng Layer 3 hoặc cải thiện hiệu năng truyền tải. Một số công nghệ tiêu biểu có thể kể đến như: 

• NVGRE (Network Virtualization using Generic Routing Encapsulation): Giao thức do Microsoft đề xuất, sử dụng GRE để đóng gói lưu lượng thay vì UDP như VXLAN. NVGRE từng được triển khai trong các môi trường Hyper-V nhưng hiện không còn được sử dụng rộng rãi do khả năng tương thích với thiết bị mạng và cơ chế cân bằng tải hạn chế hơn VXLAN.
• STT (Stateless Transport Tunneling): Công nghệ do Nicira (sau này thuộc VMware) phát triển nhằm tận dụng khả năng tăng tốc phần cứng của card mạng (TCP Segmentation Offload - TSO). STT mang lại hiệu năng cao trong một số môi trường ảo hóa nhưng không được chuẩn hóa và hiện rất ít được triển khai.

Tại sao cần sử dụng VXLAN? 

VXLAN ra đời để giải quyết những hạn chế của VLAN truyền thống trong các môi trường Data Center, nơi yêu cầu về khả năng mở rộng mạng, phân tách tenant và tính linh hoạt của workload ngày càng cao. 

Giới hạn về số lượng mạng ảo

VLAN sử dụng trường VLAN ID 12 bit theo chuẩn IEEE 802.1Q, cho phép tạo tối đa 4.094 VLAN. Với các Data Center hoặc nền tảng Cloud phục vụ nhiều tenant, số lượng này trở thành giới hạn khi mỗi tenant hoặc mỗi ứng dụng đều cần một mạng riêng để đảm bảo khả năng cô lập lưu lượng.

VXLAN khắc phục hạn chế này bằng cách sử dụng VXLAN Network Identifier (VNI) có kích thước 24 bit, mở rộng không gian địa chỉ lên 16.777.216 mạng logic. Điều này giúp hạ tầng mạng đáp ứng tốt yêu cầu mở rộng của các hệ thống Cloud và Data Center quy mô lớn.

Hạn chế trong việc mở rộng mạng Layer 2

VLAN chỉ hoạt động trong phạm vi một miền Layer 2, khiến việc mở rộng mạng qua nhiều miền Layer 3 trở nên phức tạp và tốn nhiều tài nguyên quản trị.

VXLAN giải quyết vấn đề này bằng cách đóng gói Ethernet Frame vào gói tin UDP/IP, cho phép truyền lưu lượng Layer 2 trên hạ tầng Layer 3. Nhờ đó, mạng Layer 2 có thể được mở rộng giữa nhiều subnet hoặc nhiều Data Center khác nhau mà vẫn đảm bảo tính liên tục của kết nối.

Hạn chế của Spanning Tree Protocol (STP)

Trong mạng VLAN truyền thống, Spanning Tree Protocol (STP) được sử dụng để ngăn chặn hiện tượng vòng lặp (loop). Tuy nhiên, cơ chế này buộc một số liên kết dự phòng phải ở trạng thái Block, làm giảm khả năng khai thác băng thông và ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng hạ tầng mạng.

Khi triển khai cùng Ethernet VPN (EVPN), VXLAN sử dụng Border Gateway Protocol (BGP) để thực hiện cơ chế học địa chỉ MAC phân tán (Distributed MAC Learning). Cách tiếp cận này giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào STP, đồng thời tận dụng toàn bộ các đường truyền trong mạng để tăng hiệu suất, khả năng dự phòng và tính sẵn sàng của hệ thống.

Đáp ứng yêu cầu về tính linh hoạt và tự động hóa

Các nền tảng Cloud hiện đại yêu cầu hạ tầng mạng có khả năng mở rộng nhanh, tự động hóa và thích ứng linh hoạt với sự thay đổi của tài nguyên.

Nhờ hoạt động độc lập với hạ tầng mạng vật lý, VXLAN cho phép triển khai nhanh các mạng ảo mới, hỗ trợ provisioning tenant, Live Migration, cân bằng tải và nhiều quy trình tự động khác. Điều này giúp doanh nghiệp đơn giản hóa công tác quản trị hạ tầng, đồng thời nâng cao khả năng mở rộng và tối ưu hiệu quả vận hành trong các môi trường Cloud Computing và Data Center hiện đại.

So sánh VXLAN và VLAN 

VXLAN và VLAN đều là công nghệ phân đoạn mạng (network segmentation), giúp cô lập lưu lượng giữa các nhóm thiết bị trên cùng hạ tầng vật lý. Tuy nhiên, VLAN được thiết kế cho mạng Layer 2 truyền thống, trong khi VXLAN mở rộng Layer 2 trên nền mạng Layer 3, phù hợp với các trung tâm dữ liệu và hạ tầng cloud quy mô lớn.

Tóm lại, VLAN phù hợp với mạng doanh nghiệp truyền thống có quy mô nhỏ hoặc trung bình, nơi số lượng VLAN không lớn và hạ tầng chủ yếu hoạt động trong cùng miền Layer 2. Ngược lại, VXLAN phù hợp với trung tâm dữ liệu, nền tảng cloud và các môi trường ảo hóa quy mô lớn.

Lợi ích của VXLAN

So với VLAN truyền thống, VXLAN sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật về khả năng mở rộng, hiệu suất và khả năng triển khai. Cụ thể: 

• Mở rộng khả năng phân đoạn mạng: Sử dụng VXLAN Network Identifier (VNI) 24 bit, hỗ trợ khoảng 16 triệu mạng logic, cao hơn nhiều so với giới hạn khoảng 4.094 VLAN của VLAN truyền thống.
• Giảm độ trễ truyền tải: Hoạt động trên mạng overlay giúp tối ưu đường truyền và cải thiện hiệu quả truyền tải lưu lượng trong Data Center.
• Tận dụng tối đa hạ tầng mạng: Không phụ thuộc Spanning Tree Protocol (STP) và có thể kết hợp với Equal-Cost Multi-Path (ECMP) để sử dụng đồng thời nhiều đường truyền, tăng băng thông và khả năng dự phòng.
• Tăng tính linh hoạt: Tách biệt mạng logic khỏi hạ tầng vật lý, giúp việc triển khai, mở rộng và di chuyển workload trong môi trường Cloud trở nên linh hoạt hơn.
• Hỗ trợ tích hợp SDN: Tạo nền tảng cho Software-Defined Networking (SDN), giúp tự động hóa việc quản lý và vận hành hạ tầng mạng.

Hạn chế của VXLAN 

Bên cạnh những ưu điểm về khả năng mở rộng và tính linh hoạt, VXLAN vẫn tồn tại một số hạn chế mà người dùng cần cân nhắc khi triển khai.

• Tăng overhead của gói tin: Việc bổ sung thêm header VXLAN, UDP và IP làm kích thước gói tin lớn hơn, có thể ảnh hưởng đến hiệu năng nếu hạ tầng chưa được tối ưu MTU hoặc không hỗ trợ offload.
• Triển khai và vận hành phức tạp: VXLAN thường kết hợp với EVPN và BGP, yêu cầu đội ngũ vận hành có kiến thức chuyên sâu hơn về mạng cũng như quy trình xử lý sự cố.
• Khả năng tương thích hạn chế: Mặc dù VXLAN đã được tiêu chuẩn hóa và hỗ trợ rộng rãi, cách triển khai của từng hãng vẫn có thể khác nhau. Trong môi trường sử dụng thiết bị từ nhiều vendor, doanh nghiệp cần kiểm tra kỹ khả năng tương thích trước khi triển khai. 

VXLAN không thay thế VLAN mà kế thừa và khắc phục những hạn chế của công nghệ này trong môi trường Data Center hiện đại. Nhờ khả năng mở rộng mạng, hỗ trợ ảo hóa và phân đoạn lưu lượng linh hoạt, VXLAN ngày càng được triển khai rộng rãi trong các nền tảng Cloud và kiến trúc multi-tenant.

Nếu bạn đang muốn triển khai mạng VXLAN nhưng ngại chi phí đầu tư và độ phức tạp khi vận hành, doanh nghiệp có thể cân nhắc Virtual Private Cloud (VPC) tại VNPT Cloud. Nền tảng được tích hợp sẵn công nghệ SDN/EVPN-VXLAN cùng hạ tầng tối ưu hóa MTU, giúp khách hàng khởi tạo mạng đa người dùng tự động chỉ qua vài cú click chuột, dễ dàng mở rộng quy mô mà không áp lực vận hành.