緯育 2026-0326

建構虛擬化網路環境

本系列講座旨在說明在現代系統整合與資料中心領域中，虛擬化網路的重要性與架構，並深入探討VMware虛擬化環境中的兩種主要虛擬交換器類型：標準型虛擬交換器（VSS）和分散式虛擬交換器（VDS）。講師首先強調了從業人員需同時掌握實體網路、VMware 虛擬網路以及雲端網路（如 AWS VPC）等多種網路技術。接著，講師將當前的 AI 產業趨勢與 2000 年的互聯網泡沫進行類比，指出雖然 AI 股票可能存在泡沫，但其底層技術仍會持續發展。

講座的核心內容聚焦於 VMware ESXi 主機中的兩種虛擬交換機：標準虛擬交換機 (VSS) 與分散式虛擬交換機 (VDS)，並詳細闡述了兩者的定義、功能差異以及運作範圍。其中VSS的運作範圍僅限於單一ESXi主機內部，而VDS則能跨越多台由vCenter管理的ESXi主機，實現跨主機虛擬機的內部高效通訊。講師也闡述了虛擬交換器在虛擬化作業系統中的基礎性地位，將其功能類比為實體的二層交換器，並介紹了業界三大主流的虛擬化技術：VMware ESXi、Microsoft Hyper-V以及Linux KVM。

現代 IT 網路架構

• 網路技術的多樣性
  • 在資訊行業，特別是系統整合領域，工程師需要掌握多種網路技術才能成功建構運算資料中心。
  • 過去僅需學習思科 (Cisco) 為代表的實體網路。
  • 現在還必須學習 VMware ESXi 主機內的虛擬網路。
  • 未來還會接觸到雲端網路，例如 AWS 的 VPC (Virtual Private Cloud) 架構。
  • 此外，AI 伺服器也正逐漸形成其獨特的網路架構。
• AI 產業趨勢與技術發展
  • 講師引用高盛的觀點（2026年3月25日左右提及），指出像美國七大科技巨頭（如微軟、AWS）的成長高原期已過，其股價已從高點下跌超過 20%。
  • 市場對 AI 公司的評估標準已轉變，不再只看是否擁有 AI 技術，而是檢視其資本投資與營收是否成正比。微軟因龐大的資本投入未能帶來相應的營收回報而受到質疑。
  • 此趨勢與 2000 年的互聯網泡沫相似，當時思科 (Cisco) 股價崩盤，但網路技術本身仍持續進化與發展。
  • 結論是，AI 股票雖有泡沫，但 AI 技術本身會繼續向前進步。

VMware 虛擬交換機

• 虛擬交換機基礎
  • 只要有 Hypervisor 的虛擬化作業系統或應用平台，就會有虛擬交換機。這些軟體交換機運行在 Hypervisor 之中。
  • 以 VMware Workstation Pro 為例，其提供三種虛擬交換機：Bridge（橋接模式）、NAT（網路位址轉譯模式）和 Host-Only（僅主機模式）。
  • 虛擬交換器的功能與運作方式非常類似於實體的二層交換器（Layer 2 Switch），例如思科的Catalyst 2960型號。
  • 這些虛擬交換機的概念與雲端服務（如 AWS）中的網路服務有共通之處。AWS 的網路服務稱為 VPC (Virtual Private Cloud)，學習 VSS/VDS 的基礎有助於理解 VPC。
• 標準虛擬交換機 (VSS * vSphere Standard Switch)
  • VSS 被定義為「標準型虛擬交換機」。
  • 其主要限制是「只可以運行在一台 ESXi 主機內部」。
  • 每台ESXi主機都擁有各自獨立的標準交換機。例如，VXI-01和VXI-02主機各自擁有自己的VSS。
  • 在課程實驗中，每台ESXi主機配置了四台標準交換機，編號從0開始，分別為VSS0、VSS1、VSS2、VSS3。
• 分散式虛擬交換機 (VDS * vSphere Distributed Switch)
  • VDS 的 "D" 代表 Distributed（分散式），其定義是「可以跨越在多台 ESXi 主機間運行」。
  • 它可以在兩台或更多（如三台、四台、五台...）的 ESXi 主機之間建立一個統一的虛擬交換機，實現跨主機的網路管理。
  • 這種跨主機的內部通訊，讓不同主機上的虛擬機（如VM1和VM2）可以透過同一個VDS進行，相比透過外部網路連接，具有更好的速度與效能。
  • VDS的配置與管理必須在vCenter Server中進行，它是存在於vCenter資料庫中的一個概念。
• VSS與VDS的差異總結
  • 範圍：VSS僅限於單一主機；VDS可跨越多台主機。
  • 管理：VSS在單台ESXi主機上配置；VDS必須透過vCenter Server進行集中配置和管理。
  • 通訊能力：使用VSS時，位於不同主機上的虛擬機若要互通，必須經過外部實體網路；使用VDS，則可以直接在vCenter內部進行高效通訊。
  • 效能：一般來說，VDS的網路效能優于VSS。

虛擬化網路架構與實體網卡角色

• 軟體交換器的共同特性
  • 無論是 ESXi、Hyper-V 或 Xen 中的軟體交換器，它們都將主機的實體網卡視為其「上行連接埠」(Uplink Port)，用以連接到外部的實體交換器。
• 非虛擬化 vs. 虛擬化系統的網卡角色比較
  • 在非虛擬化作業系統 (如 Windows 11) 中，IP 位址是設定在作業系統層級的網管服務上，這個服務再與實體網卡綁定，主要為該主機提供網路連線。
  • 在虛擬化作業系統中，實體網卡的角色轉變為虛擬交換器的上行連接埠，為其上的所有虛擬機提供對外連線。
• 從 OSI 模型理解主機架構
  • 實體網卡運作於 OSI 模型的第二層 (資料連結層)。
  • 作業系統無法直接控制網卡，必須透過安裝在作業系統中的驅動程式 (Driver) 來控制硬體晶片。
• Open vSwitch (OVS) 簡介
  • Open vSwitch 是一個由社群開發的軟體交換器，常用於 Linux KVM 環境，因功能較強大，常被用來替換預設功能較陽春的 Linux Bridge。

業界主流虛擬化技術

• 三大伺服器虛擬化平台
  • 業界有三大主流的伺服器虛擬化解決方案：

   1. VMware ESXi：當前課程所教授的平台。
   2. Microsoft Hyper-V：內建於微軟伺服器（Microsoft Server）作業系統中的一個服務。
   3. Linux KVM：Linux系統中的虛擬化解決方案。KVM代表Kernel-based Virtual Machine，其特點是將虛擬機運行在核心空間（Kernel Space）以獲得顯著的效能提升。

• 共通性
  • 無論是ESXi、Hyper-V還是KVM，這三大平台都具備各自實現的軟體交換器（Virtual Switch）功能。
  • 講師提及，後續的K8S課程實驗將會在Microsoft Hyper-V平台上進行。

傳統作業系統網路架構

• OSI 模型與 TCP/IP
  • OSI 模型第三層是網路層，第四層是傳輸層。
  • 在作業系統中，這兩層對應一支程式，俗稱 TCP/IP。這是簡稱：第三層核心為 IP，第四層包含 TCP、UDP 等多種協定，通常以最著名的 TCP 作為代表。
  • 此程式負責在作業系統中處理第三層（網路）與第四層（傳輸）的功能。
• 網路運作流程
  • 應用程式（APP）如 Outlook 等，將指令送到作業系統。
  • 作業系統透過驅動程式（Driver）解讀指令，並轉換以控制實體網卡執行實際傳輸。
  • 網管服務（IP Stack）直接與實體網卡綁定，IP 位址設定在網管服務上，而非直接在網卡上。
  • 外部設備可透過 ping（例如 ping 192.168.1.18）測試與此實體作業系統的連線。

虛擬化作業系統網路架構

• 引入軟體交換機（OVS）
  • 在 Linux（使用 KVM）或 Windows 11（使用 Hyper-V）等虛擬化環境中，會啟動軟體交換機，例如 OVS（Open vSwitch）。
  • 啟動指令範例（KVM）：OVS-VSCTL add-br MyBridge，此指令會新增名為 MyBridge 的軟體交換機。
• 網路綁定關係的重構
  • 核心變化：網管程式（IP Stack）不再直接與實體網卡綁定，原有綁定必須移除。
  • 實體網卡改為與軟體交換機的上行埠（Uplink Port）綁定。
  • 網管程式（IP Stack）改連接至軟體交換機的內部埠（Internal Port）。
  • 所有流量都必須先經過軟體交換機，才能透過實體網卡出去。
• 軟體交換機的埠口類型與功能
  • 上行埠（Uplink Port）：
  • 連接實體網卡。雖於圖示中可能位於下方，但因其接往更核心的骨幹交換機（如機房交換機），故稱為「上行」。
  • 一個軟體交換機的上行埠固定與實體網卡綁定。
  • 下行埠（Downlink Port）：
  • 連接各類內部服務（如網管服務、vMotion 服務）以及虛擬機器（VM）。
  • 虛擬機器的流量必須先連至軟體交換機的下行埠，嚴禁直接繞過軟體交換機存取實體網卡。此為所有虛擬化平台（如 ESXi、Hyper‑V、KVM）的強制規定。
• 流量路徑總結
  • 在虛擬化主機中，任何流量（管理服務或使用者虛擬機器）皆遵循：

 1. 從服務或虛擬機器發出，進入軟體交換機的下行埠。
 2. 由軟體交換機處理。
 3. 從軟體交換機的上行埠送出。
 4. 經由與上行埠綁定的實體網卡，與外部網路通訊。

VMware網路核心術語與組件

• VMnic vs. vNIC
  • VMnic (Virtual Machine NIC)：指的是ESXi主機上的實體網路介面卡。系統會自動從0開始編號，如vmnic0, vmnic1。
  • vNIC (Virtual NIC)：指的是虛擬機器（VM）內部使用的虛擬網路介面卡，它會連接到虛擬交換器。一台虛擬機器可擁有多張vNIC（ESXi 5/6中最多10張）。
• 虛擬交換器 (vSwitch) 的端口結構
  • 上行端口 (Uplink)：連接至ESXi主機的實體網卡（vmnic），負責與外部實體交換器溝通，是虛擬環境通往外部世界的出口。
  • 下行端口 (Downlink)：連接至虛擬化環境內的各種服務，主要分為兩種類型。

下行端口的兩種類型：Port Group 與 VMkernel Port

• Port Group (端口群組)
  • 用途：用於連接虛擬機器（VM）。它是一個邏輯端口群組，可將具有相同網路需求的VM連接在一起。
  • 優勢：網路原則（如VLAN、安全設定）只需在Port Group上設定一次，所有連接至此群組的VM便會自動繼承。相較於傳統實體交換機需逐一配置每個端口，此舉大幅簡化了管理。
  • 應用場景：業界常依據VM用途建立不同Port Group，如Production（生產環境）和Test（測試環境），或依部門（如Marketing、Engineering）進行劃分，以實現網路隔離。
• VMkernel Port (VMK)
  • 用途：專門用於連接ESXi主機的系統核心服務（運行於VMkernel層之上），例如網管服務 (Management)、vMotion、iSCSI、NFS、vSAN等。
  • IP位址綁定：每個VMkernel Port都必須綁定一個IP位址，外部使用者或系統可透過呼叫此IP來存取對應的服務。
  • 流量分離原則：為確保系統穩定，強烈建議將重要的「服務流量」（如網管）與「使用者流量」（VM產生的流量）分離，例如將它們配置在不同的虛擬交換器或實體網卡上，避免使用者流量過大影響到關鍵的管理服務。

NIC Teaming (網路介面卡群組)

• 概念與目的：將多張主機實體網卡組合成一個邏輯團隊的技術，主要用於「頻寬聚合」。例如，將兩張10G網卡組成Team，總頻寬可視為20G。
• 自動啟用：從VMware ESXi 6.x版本開始，當vSwitch偵測到連接了多張實體網卡時，系統會預設自動啟用NIC Teaming功能。
• 主要優點：
  • 備援/容錯 (Redundancy/Failover)：當團隊中某張網卡或路徑故障時，流量會自動切換至其他正常網卡，確保連線不中斷。
  • 負載平衡 (Load Balancing)：正常運作時，系統會將不同VM的流量分配到不同的實體網卡上，避免單一網卡負載過高。
• 與EtherChannel的比較：NIC Teaming是在ESXi主機端對實體網卡進行聚合，而EtherChannel是實體交換器端的端口聚合協定（常見於Cisco設備）。

基礎設施選擇與成本考量

• 雲端 vs. 自建機房：
  • 雲端服務 (如AWS)：初期無需大量硬體投資，但成本是持續性的營運費用，主要按網路流量計價，用量越大費用越高。適合業務模式尚不確定的新創公司。
  • 自建實體機房：成本主要是一次性的初始建置費用，可在會計上分年攤提。對於營運模式穩定的公司，長期下來可能更具成本效益。
• 混合模式 (Hybrid Model)：許多公司（如電玩公司、台積電）採用實體與雲端並行的模式。例如，將資源需求大且變動頻繁的測試環境置於內部實體機房，而將對外服務的生產環境保留在雲端，以達到成本最佳化。

vCenter Server 部署架構演進

• vSphere 6：vCenter Server是一個應用程式，需要安裝在一台獨立的Windows Server作業系統上。
• vSphere 7 & 8：vCenter Server改以虛擬應用裝置 (VCSA, vCenter Server Appliance) 的形式提供。VCSA是一個包含Linux作業系統與vCenter服務的預打包檔案，它被部署為一台虛擬機器，運行在某一台ESXi主機之上。此架構不再需要獨立的實體伺服器來運行vCenter。
• 對網路設定的影響：在vSphere 7/8中，因為運行VCSA的VM需要連接到網路，所以ESXi主機上預設用於連接VM的Port Group（如VM Network）變得至關重要，不應隨意刪除。而在vSphere 6情境下，若vCenter獨立部署，此預設Port Group則可能無用，可為保持環境整潔而移除。

vCenter 實作導覽與預設配置

• 每台ESXi主機安裝後，會預設建立一台名為vSwitch0的虛擬標準交換器。
• vSwitch0預設會連接到主機的第一張實體網卡vmnic0。
• vSwitch0上預設包含一個名為Management Network的VMkernel Port（用於網管），以及一個名為VM Network的Port Group（用於連接VM）。
• 講師引導學員在VCenter介面中查看此預設配置，並根據vSphere 6的情境，示範移除VM Network Port Group，使vSwitch0專門用於管理服務。

預設交換機與名詞辨識

• VMkernel Port（管理/服務流量端點）需綁定管理 IP；「MGMT Network」常用作該 Port 的名稱。
• VM Network 本質為 Port Group，承載虛擬機器連線。
• Connection Type 用於選擇連接 VMkernel（服務）或 Port Group（VM 流量）；介面用語在 vSphere 6/7/8 略有差異但概念一致。

新增第二台交換機（VSwitch 1）與 Port Group

• 介面操作：選擇「上方」的新增網路按鈕以新增整台交換機；下方按鈕偏向在既有交換機上新增連接項。
• 精靈重點步驟：選取連線類型（連接 Port Group 以承載 VM 流量）→ 選擇新增交換機 → 綁定實體網卡（vmnic1/2/3）作為上行。
• 建立 production 與 test 兩個 Port Group，建議全小寫命名以維持一致性；VLAN ID 預設為 0（不標註 VLAN），日後再視需求設定。

設計原則：流量分離與交換機分流

• 將 VM 流量與管理/重要服務（如 vMotion、iSCSI）分離至不同交換機，以降低瓶頸與互相干擾。
• 可朝多交換機架構前進，讓重要服務獨立承載以提升穩定性與效能。

NIC Teaming：頻寬聚合與容錯移轉

• 在同一交換機綁定多張實體網卡後自動形成 NIC Teaming，提供備援與總頻寬提升。
• VMware 允許在 Port Group 層級覆寫 Teaming 策略，配置 Active/Standby/Unused：
  • 例如 Production：vmnic1、vmnic2 為 Active，vmnic3 為 Standby。
  • 例如 Test：vmnic3 為 Active，vmnic1 或 vmnic2 為 Standby，另一張設為 Unused。
• 設定步驟：進入 Port Group → 編輯 → 整併與容錯移轉（NIC Teaming）→ 勾選覆寫（複寫）→ 調整網卡狀態。

新增第三、第四台交換機：VMkernel Port 規劃

• VSS-2（iSCSI 規劃）：
  • 新增 VMkernel Port（標籤如「to iSCSI」），選用 vmnic4 作為上行。
  • iSCSI 非內建服務，新增 VMkernel Port 時不勾選任何服務；待安裝完成後再綁定。
  • IP 規劃範例：ESXi-001 使用 192.168.101.51；ESXi-002 使用 192.168.101.52。子網 255.255.255.0；DNS 192.168.1.1。
• VSS-3（vMotion 規劃）：
  • 新增 VMkernel Port（標籤如「toVMotion」），選用 vmnic5 作為上行。
  • 勾選 vMotion 以啟用並綁定於該 VMkernel Port。
  • IP 規劃範例：ESXi-001 使用 192.168.101.61；ESXi-002 使用 192.168.101.62。DNS 192.168.1.1。

多主機一致性

• ESXi-001 與 ESXi-002 皆配置 production/test Port Group 與相同的 NIC Teaming 規則與網卡對應。
• 僅在 VMkernel IP 參數上區分，以避免重複並維持架構一致。