Linux的網絡虛擬化是LXC項目中的一個子項目,LXC包括文件系統虛擬化,進程空間虛擬化,用戶虛擬化,網絡虛擬化,等等,這裡使用LXC的網絡虛擬化來模擬多個網絡環境。
本文從基本的網絡設備講起,到具體實驗環節,希望能對 Linux 本身的虛擬網絡環境有一個宏觀的瞭解。
TUN 設備
TUN 設備是一種虛擬網絡設備,通過此設備,程序可以方便得模擬網絡行為。先來看看物理設備是如何工作的:
所有物理網卡收到的包會交給內核的 Network Stack 處理,然後通過 Socket API 通知給用戶程序。下面看看 TUN 的工作方式:
普通的網卡通過網線收發數據包,但是 TUN 設備通過一個文件收發數據包。所有對這個文件的寫操作會通過 TUN 設備轉換成一個數據包送給內核;當內核發送一個包給 TUN 設備時,通過讀這個文件可以拿到包的內容。
如果我們使用 TUN 設備搭建一個基於 UDP VPN,那麼整個處理過程就是這樣:
數據包會通過內核網絡棧兩次。但是經過 App 的處理後,數據包可能已經加密,並且原有的 ip 頭被封裝在 udp 內部,所以第二次通過網絡棧內核看到的是截然不同的網絡包。
TAP 設備
TAP 設備與 TUN 設備工作方式完全相同,區別在於:
TUN 設備的 /dev/tunX 文件收發的是 IP 層數據包,只能工作在 IP 層,無法與物理網卡做 bridge,但是可以通過三層交換(如 ip_forward)與物理網卡連通。
TAP 設備的 /dev/tapX 文件收發的是 MAC 層數據包,擁有 MAC 層功能,可以與物理網卡做 bridge,支持 MAC 層廣播
MACVLAN
有時我們可能需要一塊物理網卡綁定多個 IP 以及多個 MAC 地址,雖然綁定多個 IP 很容易,但是這些 IP 會共享物理網卡的 MAC 地址,可能無法滿足我們的設計需求,所以有了 MACVLAN 設備,其工作方式如下:
MACVLAN 會根據收到包的目的 MAC 地址判斷這個包需要交給哪個虛擬網卡。單獨使用 MACVLAN 好像毫無意義,但是配合之前介紹的 network namespace 使用,我們可以構建這樣的網絡:
由於 macvlan 與 eth0 處於不同的 namespace,擁有不同的 network stack,這樣使用可以不需要建立 bridge 在 virtual namespace 裡面使用網絡。
MACVTAP
MACVTAP 是對 MACVLAN的改進,把 MACVLAN 與 TAP 設備的特點綜合一下,使用 MACVLAN 的方式收發數據包,但是收到的包不交給 network stack 處理,而是生成一個 /dev/tapX 文件,交給這個文件:
由於 MACVLAN 是工作在 MAC 層的,所以 MACVTAP 也只能工作在 MAC 層,不會有 MACVTUN 這樣的設備。
創建虛擬網絡環境
使用命令
$ ip netns add net0
可以創建一個完全隔離的新網絡環境,這個環境包括一個獨立的網卡空間,路由表,ARP表,ip地址表,iptables,ebtables,等等。總之,與網絡有關的組件都是獨立的。
使用命令
$ ip netns list
net0
可以看到我們剛才創建的網絡環境
進入虛擬網絡環境
使用命令
$ ip netns exec net0
`command`
我們可以在 net0 虛擬環境中運行任何命令
這樣我們可以在新的網絡環境中打開一個shell,可以看到,新的網絡環境裡面只有一個lo設備,並且這個lo設備與外面的lo設備是不同的,之間不能互相通訊。
連接兩個網絡環境
新的網絡環境裡面沒有任何網絡設備,並且也無法和外部通訊,就是一個孤島,通過下面介紹的這個方法可以把兩個網絡環境連起來,簡單的說,就是在兩個網絡環境之間拉一根網線。
$ ip netns add net1
先創建另一個網絡環境net1,我們的目標是把net0與net1連起來。
這裡創建連一對veth虛擬網卡,類似pipe,發給veth0的數據包veth1那邊會收到,發給veth1的數據包veth0會收到。就相當於給機器安裝了兩個網卡,並且之間用網線連接起來了。
$ ip link set veth0 netns net0
$ ip link set veth1 netns net1
這兩條命令的意思就是把veth0移動到net0環境裡面,把veth1移動到net1環境裡面,我們看看結果。
veth0 veth1已經在我們的環境裡面消失了,並且分別出現在net0與net1裡面。下面我們簡單測試一下net0與net1的聯通性。
分別配置好兩個設備,然後用ping測試一下聯通性:
一個稍微複雜的網絡環境
創建虛擬網絡環境並且連接網線。
ip netns add net0
ip netns add net1
ip netns add bridge
ip link add type veth
ip link set dev veth0 name net0-bridge netns net0
ip link set dev veth1 name bridge-net0 netns bridge
ip link add type veth
ip link set dev veth0 name net1-bridge netns net1
ip link set dev veth1 name bridge-net1 netns bridge
在bridge中創建並且設置br設備:
ip netns exec bridge brctl addbr br
ip netns exec bridge ip link set dev br up
ip netns exec bridge ip link set dev bridge-net0 up
ip netns exec bridge ip link set dev bridge-net1 up
ip netns exec bridge brctl addif br bridge-net0
ip netns exec bridge brctl addif br bridge-net1
然後配置兩個虛擬環境的網卡:
測試:
OK,以上便是今天的內容。
最後
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