VXLAN通过在以太网帧外添加UDP封装和VXLAN头部，实现了网络的可扩展性和灵活性，支持多租户环境下的大规模二层网络扩展。本文将详细介绍VXLAN的报文格式、各个字段的具体含义。
VXLAN基于MAC-in-UDP的封装机制，即将原始以太网帧封装在UDP报文中，并通过IP网络进行传输。VXLAN报文的发送和接收由VTEP（VXLAN Tunnel Endpoint）完成。VTEP负责在物理网络和虚拟网络之间进行封装和解封装操作。VXLAN通过IP网络建立隧道，实现跨物理网络的二层网络扩展。
VXLAN报文格式VXLAN报文格式是在传统以太网帧的基础上，通过添加额外的VXLAN头部、UDP头部、IP头部和外层以太网头部来实现的。
VXLAN报文结构+------------------------+| Outer Ethernet Header |+------------------------+| Outer IP Header |+------------------------+| Outer UDP Header |+------------------------+| VXLAN Header |+------------------------+| Inner Ethernet Frame |+------------------------+
如上图所示，VXLAN报文主要由五个部分组成：外层以太网头部、外层IP头部、外层UDP头部、VXLAN头部以及内层以太网帧。每个部分都有其特定的功能，以下分别进行详细说明。
外层以太网头部（Outer Ethernet Header）外层以太网头部是VXLAN报文的最外层封装，用于在物理网络中传输报文。其结构与传统以太网帧头部相同，主要包含以下字段：
目的MAC地址（Destination MAC Address，MAC DA）：这是报文的目标MAC地址，通常是下一跳设备（如交换机或路由器）的MAC地址。在VTEP之间传输时，目的MAC地址指向远端VTEP的MAC地址。源MAC地址（Source MAC Address，MAC SA）：这是报文的源MAC地址，通常是当前VTEP设备的MAC地址。802.1Q标签（802.1Q Tag）：这是一个可选字段，用于在报文中携带VLAN Tag信息。VLAN Tag用于在多租户环境中实现网络隔离。以太网类型（Ethernet Type）：该字段指示帧的上层协议类型，例如IPv4、IPv6等。外层以太网头部的主要作用是确保VXLAN报文能够在物理网络中被正常传输和路由。
外层IP头部（Outer IP Header）外层IP头部是用于在IP网络中传输VXLAN报文的封装部分。其结构与传统的IP头部相同，主要包括以下字段：
版本（Version）：指定IP协议的版本，通常为IPv4（值为4）或IPv6（值为6）。头部长度（Header Length）：指示IP头部的长度。服务类型（Type of Service，ToS）：用于指示报文的服务质量。总长度（Total Length）：表示整个IP报文的长度，包括IP头部和数据部分。标识（Identification）：用于标识IP分片。标志（Flags）：控制和指示IP分片。片偏移（Fragment Offset）：指示分片的位置。生存时间（Time to Live，TTL）：该字段指定报文在网络中可以存在的最大跳数。每经过一个网络设备，TTL值减1，当TTL值为0时，报文将被丢弃。协议类型（Protocol Type）：该字段指定上层协议类型，对于VXLAN报文，该值通常为17，表示UDP协议。头部校验和（Header Checksum）：用于检测IP头部在传输过程中是否发生了错误。源IP地址（Source IP Address，IP SA）：这是报文的源IP地址，通常是VTEP的IP地址。目的IP地址（Destination IP Address，IP DA）：这是报文的目标IP地址，通常是远端VTEP的IP地址。外层IP头部的主要作用是通过IP网络对VXLAN报文进行路由和转发。
外层UDP头部（Outer UDP Header）外层UDP头部用于封装VXLAN头部和内层以太网帧。其结构与传统的UDP头部相同，主要包括以下字段：
源端口号（Source Port）：这是UDP报文的源端口号，通常通过哈希算法计算得到。源端口号用于实现负载均衡和多路径传输。目的端口号（Destination Port）：这是UDP报文的目标端口号，对于VXLAN报文，该端口号固定为4789，这是VXLAN的标准端口。长度（Length）：该字段表示整个UDP报文的长度，包括头部和数据部分。校验和（Checksum）：该字段用于检测UDP报文在传输过程中是否发生了错误。外层UDP头部的主要作用是将VXLAN头部和内层以太网帧封装为UDP数据，并通过IP网络进行传输。
VXLAN头部（VXLAN Header）VXLAN头部是VXLAN报文的核心部分，用于标识和区分不同的VXLAN网络。VXLAN头部结构如下：
+----------------------+----------------------+----------------------+----------------------+| 8-bit Flags | Reserved (24 bits) | VXLAN Network Identifier (VNI) (24 bits) | Reserved (8 bits) |+----------------------+----------------------+----------------------+----------------------+VXLAN标志位（VXLAN Flags）：该字段占8位，表示VXLAN的标志。当前仅使用第3位，固定为1，其余位设置为0。VNI（VXLAN Network Identifier）：VNI是24位的VXLAN网络标识符，用于区分不同的VXLAN网络。通过VNI，VTEP可以将来自不同虚拟网络的流量进行隔离和标识。保留字段（Reserved）：其余的32位均为保留字段，必须设置为0，以备将来扩展使用。VXLAN头部的主要作用是通过VNI标识不同的虚拟网络，实现大规模网络虚拟化和多租户隔离。
内层以太网帧（Inner Ethernet Frame）内层以太网帧是来自虚拟机或物理机的原始以太网帧，其结构与传统以太网帧相同，主要包括以下字段：
目的MAC地址（Destination MAC Address，MAC DA）：目标设备的MAC地址。源MAC地址（Source MAC Address，MAC SA）：源设备的MAC地址。VLAN标签（VLAN Tag）：可选字段，用于在虚拟网络中携带VLAN信息。以太网类型（Ethernet Type）：指示上层协议类型，如IPv4、IPv6等。数据字段（Data Field）：包括上层协议数据，如IP报文、TCP/UDP数据等。内层以太网帧在VXLAN报文中的作用是携带实际的用户数据，通过VTEP之间的隧道进行传输。
VXLAN报文传输流程在VXLAN网络中，报文的传输主要依赖于VTEP的封装和解封装操作。下面我们详细介绍VXLAN报文的传输流程。
报文发送过程当虚拟机（VM）发送数据时，报文首先生成内层以太网帧。然后，位于虚拟机所在主机上的VTEP会对该帧进行VXLAN封装，具体过程如下：
封装内层以太网帧：VTEP接收到虚拟机发送的内层以太网帧，并确定该帧应通过VXLAN隧道传输。添加VXLAN头部：VTEP根据虚拟机所在的虚拟网络，为内层以太网帧添加VXLAN头部。具体操作包括设置VXLAN Flags、分配或检索VNI，并将其填充到VXLAN头部中。添加UDP头部：在VXLAN头部前添加UDP头部。源端口号通过哈希算法计算得到，以支持负载均衡和多路径传输；目的端口号固定为4789，即VXLAN的标准端口。添加IP头部：在UDP头部前添加IP头部。源IP地址为本地VTEP的IP地址，目的IP地址为目标VTEP的IP地址。IP头部还包括TTL值、协议类型等信息。添加外层以太网头部：最后，在IP头部前添加外层以太网头部。源MAC地址为本地VTEP的MAC地址，目的MAC地址为目标VTEP的MAC地址。如果需要，802.1Q VLAN标签也会被添加到外层以太网头部中。发送报文：封装完成后，报文通过物理网络传输到目标VTEP。报文接收过程目标VTEP收到封装后的VXLAN报文后，会对其进行解封装，具体过程如下：
接收外层以太网报文：目标VTEP首先接收到外层以太网报文，解析出外层以太网头部、IP头部和UDP头部。解析IP头部：目标VTEP解析IP头部，验证目标IP地址是否与本地VTEP匹配，并检查TTL值。解析UDP头部：目标VTEP解析UDP头部，验证目的端口号是否为4789，以确保报文是VXLAN报文。解析VXLAN头部：目标VTEP解析VXLAN头部，提取VNI，确定报文所属的虚拟网络。提取内层以太网帧：根据VXLAN头部中的VNI，目标VTEP将内层以太网帧提取出来，并根据内层以太网帧的目的MAC地址，将其转发到目标虚拟机或物理机。转发内层报文：内层以太网帧被送到目标虚拟机或物理机，完成数据的传输。VXLAN各字段详细解析为了深入理解VXLAN报文格式，下面将对各个字段进行更详细的解析，解释其具体作用和配置要求。
VXLAN头部详细解析VXLAN头部在整个报文中起到核心作用，它的设计使得VXLAN能够有效地支持大规模的虚拟网络。VXLAN头部由以下几个部分组成：
VXLAN Flags字段大小：8位描述：VXLAN Flags用于指示VXLAN报文的特定特性。当前，只有第3位（最低位从0开始编号）被定义，用于表示该报文是否包含有效的VNI信息。其余位目前未定义，必须设置为0。取值：第3位设置为1：表示VXLAN报文包含有效的VNI信息。其余位设置为0。作用：通过VXLAN Flags，VTEP可以快速识别报文是否为VXLAN封装的报文，并根据标志位决定是否解析VNI字段。VXLAN Network Identifier (VNI)字段大小：24位描述：VNI是VXLAN网络标识符，用于区分不同的VXLAN段或虚拟网络。通过VNI，VTEP能够将来自不同虚拟网络的流量进行隔离和标识。取值范围：0 到 16,777,215（2^24 - 1）作用：VNI允许在同一物理网络上创建多达16,777,216个逻辑隔离的虚拟网络，极大地扩展了传统VLAN的限制（4096个VLAN）。配置要求：每个VXLAN段需要唯一的VNI。VTEP之间需要共享相同的VNI映射关系，确保正确的流量隔离和转发。Reserved字段字段大小：32位（包括24位和8位）描述：这部分字段目前未被定义，必须设置为0，保留以备将来使用。作用：保留字段为将来VXLAN协议的扩展提供了空间，确保当前协议的向后兼容性。外层UDP头部详细解析外层UDP头部在VXLAN报文中起到将VXLAN报文封装在UDP报文中的作用，使其能够通过现有的IP网络进行传输。下面对UDP头部的各个字段进行详细解析：
源端口号（Source Port）字段大小：16位描述：源端口号由发送VTEP根据特定的哈希算法计算得到。该端口号用于支持负载均衡和多路径传输。取值范围：0 到 65535作用：不同的源端口号可以用于区分不同的VXLAN隧道，增强流量的分散性。源端口号的变化有助于在物理网络中实现负载均衡，通过不同的路径分发流量，提高网络的带宽利用率。配置要求：发送VTEP需要实现一种策略来动态分配和管理源端口号，以确保不同隧道的端口号分布均匀。目的端口号（Destination Port）字段大小：16位描述：目的端口号固定为4789，这是VXLAN的标准端口号，用于标识VXLAN报文。作用：通过固定的目的端口号，网络设备能够快速识别并处理VXLAN报文。保证了VXLAN报文的一致性和可预测性，方便VTEP之间的互操作。取值：4789配置要求：网络设备（如防火墙、路由器）需要允许目的端口号为4789的UDP流量通过，以确保VXLAN报文能够正常传输。长度（Length）字段大小：16位描述：该字段表示整个UDP报文的长度，包括UDP头部和数据部分。取值范围：8 到 65535作用：确保接收端能够正确解析整个UDP报文的长度，避免报文截断或溢出。支持不同大小的VXLAN报文，提高协议的灵活性。配置要求：在发送和接收端，确保UDP报文长度的正确性，防止由于长度字段错误导致的报文处理问题。校验和（Checksum）字段大小：16位描述：校验和用于检测UDP报文在传输过程中是否发生了错误。取值范围：0 到 65535作用：提供基本的数据完整性检查，确保UDP报文在传输过程中未被篡改或损坏。增强了报文传输的可靠性。配置要求：校验和必须被正确计算和验证，以确保数据的完整性。在某些情况下，校验和可以被禁用（值为0），但这会降低报文传输的可靠性。外层IP头部详细解析外层IP头部用于将VXLAN报文在IP网络中进行路由和转发。以下是对外层IP头部各字段的详细解析：
版本（Version）字段大小：4位描述：指定IP协议的版本，通常为IPv4（值为4）或IPv6（值为6）。取值：4：IPv46：IPv6作用：确定IP头部的格式和解析方式。影响后续IP报文处理的步骤和方法。配置要求：VTEP需要根据网络环境选择合适的IP版本，确保与网络中的其他设备兼容。头部长度（Header Length）字段大小：4位描述：指示IP头部的长度，以4字节为单位。取值范围：最小值为5（20字节），最大值取决于IP版本。作用：确定IP头部的实际长度，帮助接收端正确解析IP报文。配置要求：确保IP头部长度字段正确反映实际的头部长度，防止报文解析错误。服务类型（Type of Service，ToS）字段大小：8位描述：用于指示报文的服务质量，包括优先级和延迟敏感性等。作用：影响IP报文在网络中的转发优先级。支持不同类型流量的服务质量管理。配置要求：网络设备可以根据ToS字段实现流量分类和优先级调度。总长度（Total Length）字段大小：16位描述：表示整个IP报文的长度，包括IP头部和数据部分。取值范围：20（IPv4最小）到 65535 字节作用：确保接收端能够正确解析整个IP报文的长度，避免报文截断或溢出。配置要求：确保发送端和接收端对报文长度的处理一致，避免因长度字段错误导致的报文处理问题。标识（Identification）字段大小：16位描述：用于标识IP分片，帮助接收端将分片重新组装。作用：在报文被分片传输时，确保分片能够被正确识别和组装。配置要求：在分片传输场景下，确保标识字段的一致性，以避免分片重组错误。标志（Flags）字段大小：3位描述：控制和指示IP分片。作用：控制报文是否可以被分片。指示是否存在更多的分片。配置要求：根据网络需求和MTU配置，适当设置标志字段，优化报文传输效率。片偏移（Fragment Offset）字段大小：13位描述：指示分片的位置，用于帮助接收端重新组装报文。作用：确保分片报文能够被正确排序和组装。配置要求：在分片传输场景下，确保片偏移字段的准确性，以避免分片重组错误。生存时间（Time to Live，TTL）字段大小：8位描述：指定报文在网络中可以存在的最大跳数。每经过一个网络设备，TTL值减1，当TTL值为0时，报文将被丢弃。作用：防止报文在网络中无限循环。控制报文在网络中的生命周期。配置要求：根据网络拓扑和需求，合理设置TTL值，平衡报文到达目的地的概率和网络资源的消耗。协议类型（Protocol Type）字段大小：8位描述：指定上层协议类型，对于VXLAN报文，该值通常为17，表示UDP协议。作用：确保接收端能够正确解析和处理上层协议数据。支持多种上层协议的传输和解析。配置要求：VTEP需要正确设置协议类型，以确保UDP报文能够被正确识别和处理。头部校验和（Header Checksum）字段大小：16位描述：用于检测IP头部在传输过程中是否发生了错误。作用：提供IP头部的基本数据完整性检查。确保报文在传输过程中未被篡改或损坏。配置要求：确保发送端和接收端正确计算和验证校验和，以提高报文传输的可靠性。源IP地址（Source IP Address，IP SA）字段大小：IPv4：32位IPv6：128位描述：这是报文的源IP地址，通常是VTEP的IP地址。作用：标识报文的发送端，支持路由和转发。支持源IP地址过滤和安全策略的实施。配置要求：确保源IP地址的准确性和唯一性，避免地址冲突和路由错误。目的IP地址（Destination IP Address，IP DA）字段大小：IPv4：32位IPv6：128位描述：这是报文的目标IP地址，通常是远端VTEP的IP地址。作用：确保报文能够正确路由到目标VTEP。支持目标IP地址过滤和安全策略的实施。配置要求：确保目的IP地址的准确性，避免报文传输到错误的目标。外层以太网头部详细解析外层以太网头部用于在物理网络中传输VXLAN报文，其结构与传统以太网帧头部相同，但在VXLAN环境下具有特定的配置和作用。
目的MAC地址（Destination MAC Address，MAC DA）字段大小：48位描述：这是报文的目标MAC地址，通常是下一跳设备（如交换机或路由器）的MAC地址。在VTEP之间传输时，目的MAC地址指向远端VTEP的MAC地址。作用：确保报文能够在物理网络中被正确路由到目标VTEP。支持基于MAC地址的转发和过滤。配置要求：确保目的MAC地址的准确性，避免报文传输到错误的设备。在多路径和负载均衡场景下，可能需要动态更新目的MAC地址。源MAC地址（Source MAC Address，MAC SA）字段大小：48位描述：这是报文的源MAC地址，通常是当前VTEP设备的MAC地址。作用：标识报文的发送端，支持源MAC地址过滤和安全策略的实施。影响基于MAC地址的流量统计和监控。配置要求：确保源MAC地址的准确性和唯一性，避免地址冲突和网络冲突。802.1Q标签（802.1Q Tag）字段大小：32位（可选）描述：这是一个可选字段，用于在报文中携带VLAN Tag信息。VLAN Tag用于在多租户环境中实现网络隔离。作用：支持多租户环境中的VLAN隔离，确保不同租户的流量互不干扰。允许在物理网络中通过VLAN进行流量分类和管理。配置要求：在需要VLAN隔离的场景下，启用802.1Q标签。确保VLAN ID的一致性和正确性，避免跨租户的流量泄漏。以太网类型（Ethernet Type）字段大小：16位描述：该字段指示帧的上层协议类型，例如IPv4、IPv6等。取值示例：0x0800：IPv40x86DD：IPv60x0806：ARP作用：确保报文能够被正确解析和处理。支持多种上层协议的传输和解析。配置要求：根据实际应用场景，正确设置以太网类型字段，以确保上层协议能够被正确识别和处理。内层以太网帧详细解析内层以太网帧是VXLAN报文中的实际用户数据，其结构与传统以太网帧相同，但在VXLAN环境下，内层以太网帧的处理和传输具有特定的要求和优化。
目的MAC地址（Destination MAC Address，MAC DA）字段大小：48位描述：目标设备的MAC地址，指向接收端的设备。作用：确保内层以太网帧能够被正确转发到目标设备。支持基于MAC地址的流量分类和安全策略。配置要求：确保目标MAC地址的准确性，避免流量传输错误。在多租户和大规模环境下，动态管理MAC地址表，防止地址冲突和资源浪费。源MAC地址（Source MAC Address，MAC SA）字段大小：48位描述：源设备的MAC地址，指向发送端的设备。作用：标识内层以太网帧的发送端，支持源MAC地址过滤和安全策略的实施。影响基于MAC地址的流量统计和监控。配置要求：确保源MAC地址的准确性和唯一性，避免地址冲突和网络冲突。VLAN标签（VLAN Tag）字段大小：32位（可选）描述：可选字段，用于在内层以太网帧中携带VLAN信息，支持网络的逻辑隔离。作用：支持多租户环境中的VLAN隔离，确保不同租户的流量互不干扰。允许在虚拟网络中通过VLAN进行流量分类和管理。配置要求：在需要VLAN隔离的场景下，启用内层VLAN标签。确保VLAN ID的一致性和正确性，避免跨租户的流量泄漏。以太网类型（Ethernet Type）字段大小：16位描述：指示内层以太网帧的上层协议类型，如IPv4、IPv6等。取值示例：0x0800：IPv40x86DD：IPv60x0806：ARP作用：确保内层以太网帧的上层协议能够被正确解析和处理。支持多种上层协议的传输和解析。配置要求：根据实际应用场景，正确设置内层以太网类型字段，以确保上层协议能够被正确识别和处理。数据字段（Data Field）字段大小：46到1500字节（可变）描述：包括上层协议数据，如IP报文、TCP/UDP数据等，是内层以太网帧的实际用户数据。作用：传输实际的应用数据和网络流量。支持多种协议和应用场景。配置要求：确保数据字段的完整性和准确性，避免数据损坏和传输错误。根据网络需求，优化数据字段的大小和分段，以提高传输效率和性能。VXLAN报文封装和解封装流程为了更好地理解VXLAN报文格式，下面将详细介绍VXLAN报文的封装和解封装流程，说明各个字段在实际操作中的作用和配置要求。
报文封装流程当虚拟机（VM）发送数据时，VTEP需要对内层以太网帧进行封装，以便通过物理网络传输到目标VTEP。具体的封装流程如下：
接收内层以太网帧：VTEP从虚拟机接收到内层以太网帧，包含源MAC地址、目的MAC地址、VLAN标签（如果有）和数据字段。添加VXLAN头部：设置VXLAN Flags字段的第3位为1，其余位为0。分配或检索VNI，以标识该帧所属的VXLAN网络。填充保留字段为0。将VXLAN头部添加到内层以太网帧之前。添加UDP头部：计算源端口号，通常通过哈希算法基于源IP地址、目的IP地址、源端口号等信息生成。设置目的端口号为4789。计算UDP校验和，确保报文的完整性。将UDP头部添加到VXLAN头部之前。添加IP头部：设置源IP地址为本地VTEP的IP地址。设置目的IP地址为目标VTEP的IP地址。设置TTL值，根据网络拓扑选择合适的值（例如64）。设置协议类型为17，表示UDP。计算IP校验和，确保报文的完整性。将IP头部添加到UDP头部之前。添加外层以太网头部：设置源MAC地址为本地VTEP的MAC地址。设置目的MAC地址为目标VTEP的MAC地址，通过查找路由表或MAC地址表获得。如需，添加802.1Q VLAN标签以支持多租户隔离。设置以太网类型字段为0x0800（IPv4）或0x86DD（IPv6），根据IP版本选择。将外层以太网头部添加到IP头部之前。发送报文：封装完成后，VTEP通过物理网络将报文发送到目标VTEP。报文解封装流程目标VTEP接收到封装后的VXLAN报文后，需要对其进行解封装，以提取内层以太网帧并将其转发到目标虚拟机或物理机。具体的解封装流程如下：
接收外层以太网报文：目标VTEP从物理网络接收到外层以太网报文，包含外层以太网头部、IP头部、UDP头部、VXLAN头部和内层以太网帧。解析外层以太网头部：检查目的MAC地址是否匹配本地VTEP的MAC地址。如需，解析802.1Q VLAN标签以支持多租户隔离。验证以太网类型字段，确保报文为IP协议（0x0800或0x86DD）。解析IP头部：验证目的IP地址是否匹配本地VTEP的IP地址。检查TTL值，确保报文未超出允许的跳数。验证协议类型字段为17，表示UDP协议。解析UDP头部：验证目的端口号为4789，确保报文为VXLAN报文。校验UDP校验和，确保报文在传输过程中未被篡改或损坏。解析VXLAN头部：检查VXLAN Flags字段的第3位是否为1，确认VNI字段有效。提取VNI，确定报文所属的VXLAN网络。验证保留字段为0，确保报文格式正确。提取内层以太网帧：根据VNI，将内层以太网帧提取出来，准备转发到目标虚拟机或物理机。如有必要，移除内层VLAN标签，确保内层以太网帧的正确性。转发内层报文：将提取的内层以太网帧发送到目标虚拟机或物理机，完成数据传输。