Linux 网络命名空间

虚拟网络基础

和磁盘设备类似，Linux 用户想要使用网络功能，不能通过直接操作硬件完成，而需要直接或间接的操作一个 Linux 为我们抽象出来的设备，既通用的Linux网络设备来完成。一个常见的情况是，系统里装有一个硬件网卡，Linux 会在系统里为其生成一个网络设备实例，如eth0，用户需要对eth0发出命令以配置或使用它了。更多的硬件会带来更多的设备实例，虚拟的硬件也会带来更多的设备实例。
随着网络技术，虚拟化技术的发展，更多的高级网络设备被加入了到了Linux中，使得情况变得更加复杂。
在本节中，将一一分析在虚拟化技术中经常使用的几种 Linux 网络设备抽象类型：Bridge、802.1.q VLAN device、VETH、TAP，详细解释如何用它们配合 Linux 中的 Route table、IP table简单的创建出本地虚拟网络。
Linux的网络虚拟化是LXC项目中的一个子项目，LXC包括文件系统虚拟化，进程空间虚拟化，用户虚拟化，网络虚拟化，等等。

bridge

Bridge（桥）是 Linux 上用来做 TCP/IP 二层协议交换的设备，与现实世界中的交换机功能相似。Bridge 设备实例可以和 Linux 上其他网络设备实例连接，既attach一个从设备，类似于在现实世界中的交换机和一个用户终端之间连接一根网线。当有数据到达时，Bridge会根据报文中的MAC信息进行广播、转发、丢弃处理。
图 1.Bridge 设备工作过程

如图所示，Bridge 的功能主要在内核里实现。当一个从设备被 attach 到 Bridge 上时，相当于现实世界里交换机的端口被插入了一根连有终端的网线。这时在内核程序里，netdev_rx_handler_register()被调用，注册一个用于接受数据的回调函数。以后每当这个从设备收到数据时都会调用这个函数可以把数据转发到 Bridge 上。当 Bridge 接收到此数据时，br_handle_frame()被调用，进行一个和现实世界中的交换机类似的处理过程：
1. 判断包的类别（广播/单点）
1. 查找内部 MAC 端口映射表
1. 定位目标端口号
1. 将数据转发到目标端口或丢弃
1. 自动更新内部 MAC 端口映射表以自我学习

Bridge和现实世界中的二层交换机有一个==区别==，图中左侧画出了这种情况：数据被直接发到Bridge上，而不是从一个端口接受。这种情况可以看做Bridge自己有一个MAC可以主动发送报文，或者说Bridge自带了一个隐藏端口和寄主 Linux 系统自动连接，Linux 上的程序可以直接从这个端口向 Bridge 上的其他端口发数据。所以当一个 Bridge 拥有一个网络设备时，如 bridge0 加入了 eth0 时，实际上 bridge0 拥有两个有效 MAC 地址，一个是 bridge0 的，一个是 eth0 的，他们之间可以通讯。
由此带来一个有意思的事情是，Bridge 可以设置 IP 地址。通常来说 IP 地址是三层协议的内容，不应该出现在二层设备 Bridge 上。但是 Linux 里 Bridge 是通用网络设备抽象的一种，只要是网络设备就能够设定 IP 地址。当一个 bridge0 拥有 IP 后，Linux 便可以通过路由表或者IP表规则在三层定位bridge0，此时相当于Linux拥有了另外一个隐藏的虚拟网卡和 Bridge 的隐藏端口相连，这个网卡就是名为bridge0的通用网络设备，IP可以看成是这个网卡的。当有符合此 IP 的数据到达 bridge0 时，内核协议栈认为收到了一包目标为本机的数据，此时应用程序可以通过 Socket接收到它。
一个更好的对比例子是==现实世界中的带路由的交换机设备==，它也拥有一个隐藏的 MAC 地址，供设备中的三层协议处理程序和管理程序使用。设备里的三层协议处理程序，对应名为 bridge0 的通用网络设备的三层协议处理程序，即寄主Linux系统内核协议栈程序。设备里的管理程序，对应bridge0寄主Linux系统里的应用程序。
Bridge 的实现当前有一个==限制==：当一个设备被 attach 到 Bridge 上时，那个设备的 IP 会变的无效，Linux 不再使用那个 IP 在三层接受数据。举例如下：如果 eth0 本来的 IP 是 192.168.1.2，此时如果收到一个目标地址是 192.168.1.2 的数据，Linux 的应用程序能通过 Socket 操作接受到它。而当 eth0 被 attach 到一个 bridge0 时，尽管 eth0 的 IP 还在，但应用程序是无法接受到上述数据的。此时应该把 IP 192.168.1.2 赋予 bridge0。
另外需要注意的是==数据流的方向==。对于一个被attach到Bridge上的设备来说，只有它收到数据时，此包数据才会被转发到Bridge上，进而完成查表广播等后续操作。当请求是发送类型时，数据是不会被转发到 Bridge 上的，它会寻找下一个发送出口。用户在配置网络时经常忽略这一点从而造成网络故障。

TAP 设备与 VETH 设备

TUN/TAP 设备是一种让用户态程序向内核协议栈注入数据的设备，一个工作在三层，一个工作在二层，使用较多的是 TAP 设备。VETH设备出现较早，它的作用是反转通讯数据的方向，需要发送的数据会被转换成需要收到的数据重新送入内核网络层进行处理，从而间接的完成数据的注入。
图 2 .TAP 设备和 VETH 设备工作过程

当一个TAP设备被创建时，在Linux设备文件目录下将会生成一个对应char设备，用户程序可以像打开普通文件一样打开这个文件进行读写。当执行 write()操作时，数据进入 TAP 设备，此时对于 Linux 网络层来说，相当于 TAP 设备收到了一包数据，请求内核接受它，如同普通的物理网卡从外界收到一包数据一样，不同的是其实数据来自Linux上的一个用户程序。Linux收到此数据后将根据网络配置进行后续处理，从而完成了用户程序向Linux内核网络层注入数据的功能。当用户程序执行read()请求时，相当于向内核查询 TAP 设备上是否有需要被发送出去的数据，有的话取出到用户程序里，完成 TAP 设备的发送数据功能。
针对 TAP 设备的一个形象的比喻是：使用 TAP 设备的应用程序相当于另外一台计算机，TAP 设备是本机的一个网卡，他们之间相互连接。应用程序通过 read()/write()操作，和本机网络核心进行通讯。

VETH 设备总是成对出现，送到一端请求发送的数据总是从另一端以请求接受的形式出现。该设备不能被用户程序直接操作，但使用起来比较简单。创建并配置正确后，向其一端输入数据，VETH 会改变数据的方向并将其送入内核网络核心，完成数据的注入。在另一端能读到此数据。

netns

netns是在linux中提供网络虚拟化的一个项目，使用netns网络空间虚拟化可以在本地虚拟化出多个网络环境，目前netns在lxc容器中被用来为容器提供网络。
使用netns创建的网络空间独立于当前系统的网络空间，其中的网络设备以及iptables规则等都是独立的，就好像进入了另外一个网络一样。不同网络命名空间中的设备是不同的，之间不能互相直接通讯。

网络命名空间

在 Linux 中，网络名字空间可以被认为是隔离的拥有单独网络栈（网卡、路由转发表、iptables）的环境。网络名字空间经常用来隔离网络设备和服务，只有拥有同样网络名字空间的设备，才能看到彼此。

虚拟网络创建

iproute2

iproute2 is usually shipped in a package called iproute or iproute2 and consists of several tools, of which the most important are ip and tc. ip controls IPv4 and IPv6 configuration and tc stands for traffic control. Both tools print detailed usage messages and are accompanied by a set of manpages.

创建新的网络命名空间

使用命令

$ ip netns add net0

可以创建一个完全隔离的新网络环境，这个环境包括一个独立的网卡空间，路由表，ARP表，ip地址表，iptables，ebtables，等等。总之，与网络有关的组件都是独立的。

ip命令需要root权限的，但是由于本文大量使用ip命令，于是笔者给ip命令添加了capability，使普通用户也能使用ip命令

显示所有的虚拟网络命名空间

ip netns list

或者

ls /var/run/netns/

使用命令

$ ip netns list
net0

可以看到我们刚才创建的网络环境

通常情况下，一般我们用 ip netns add 添加新的 netns，然后我们可以用 ip netns list 查看所有的 netns。但有的时候进程的 netns 却并没有显式导出，ip netns list 无法列出它，比如 docker 的 container的网络空间。怎么办呢？答案是做个符号链接就可以了。

ln -sf /proc/<pid>/ns/net /var/run/netns/$ns

简要说明一下这个命令：每个进程的网络命名空间都是通过 proc 文件系统导出来了的，位于 /proc//ns/net （这个文件不可读，它只是相当于一个访问点）；而 ip netns list 命令是从 /var/run/netns 这个路径读取netns列表的，因此直接将进程的命名空间链接到 /var/run/netns 目录下就可以了。

进入虚拟网络环境

使用命令

$ ip netns exec net0 `command`

我们可以在 net0 虚拟环境中运行任何命令

$ ip netns exec net0 bash
$ ip ad
1: lo:  mtu 65536 qdisc noop state DOWN
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00

这样我们可以在新的网络环境中打开一个shell，可以看到，新的网络环境里面只有一个lo设备，并且这个lo设备与外面的lo设备是不同的，之间不能互相通讯。

设置虚拟网络环境net0的veth0设备处于激活状态

ip netns exec net0 ip link set veth0 up

为虚拟网络环境net0的veth0设备增加IP地址

ip netns exec net0 ip address add 10.0.1.1/24 dev veth0

连接两个网络环境

新的网络环境里面没有任何网络设备，并且也无法和外部通讯，就是一个孤岛，通过下面介绍的这个方法可以把两个网络环境连起来，简单的说，就是在两个网络环境之间拉一根网线

$ ip netns add net1

先创建另一个网络环境net1，我们的目标是把net0与net1连起来

$ ip link add type veth
$ ip ad # address, show protocol (IP or IPv6) address on a device.
1: lo:  mtu 65536 qdisc noop state DOWN
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
81: veth0:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN qlen 1000
    link/ether 12:39:09:81:3a:dd brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
82: veth1:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN qlen 1000
    link/ether 32:4f:fd:cc:79:1b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

这里创建连一对veth虚拟网卡，类似pipe，发给veth0的数据包veth1那边会收到，发给veth1的数据包veth0会收到。就相当于给机器安装了两个网卡，并且之间用网线连接起来了

$ ip link set veth0 netns net0
$ ip link set veth1 netns net1

这两条命令的意思就是把veth0移动到net0环境里面，把veth1移动到net1环境里面，我们看看结果

$ ip ad
1: lo:  mtu 65536 qdisc noop state DOWN
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
$ ip netns exec net0 ip ad
1: lo:  mtu 65536 qdisc noop state DOWN
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
81: veth0:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN qlen 1000
    link/ether 12:39:09:81:3a:dd brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
$ ip netns exec net1 ip ad
1: lo:  mtu 65536 qdisc noop state DOWN
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
82: veth1:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN qlen 1000
    link/ether 32:4f:fd:cc:79:1b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

veth0 veth1已经在我们的环境里面消失了，并且分别出现在net0与net1里面。下面我们简单测试一下net0与net1的联通性

$ ip netns exec net0 ip link set veth0 up
$ ip netns exec net0 ip address add 10.0.1.1/24 dev veth0
$ ip netns exec net1 ip link set veth1 up
$ ip netns exec net1 ip address add 10.0.1.2/24 dev veth1

分别配置好两个设备，然后用ping测试一下联通性：

$ ip netns exec net0 ping -c 3 10.0.1.2
PING 10.0.1.2 (10.0.1.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.0.1.2: icmp_req=1 ttl=64 time=0.101 ms
64 bytes from 10.0.1.2: icmp_req=2 ttl=64 time=0.057 ms
64 bytes from 10.0.1.2: icmp_req=3 ttl=64 time=0.048 ms

--- 10.0.1.2 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 1999ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.048/0.068/0.101/0.025 ms

实践：一个稍微复杂的网络环境

graph TD
A[bridge] -->|10.0.1.1| B[net0]
A[bridge] -->|10.0.1.2| C[net1]

创建虚拟网络环境并且连接网线

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中创建并且设置br设备

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

然后配置两个虚拟环境的网卡

ip netns exec net0 ip link set dev net0-bridge up
ip netns exec net0 ip address add 10.0.1.1/24 dev net0-bridge

ip netns exec net1 ip link set dev net1-bridge up
ip netns exec net1 ip address add 10.0.1.2/24 dev net1-bridge

测试

$ ip netns exec net0 ping -c 3 10.0.1.2
PING 10.0.1.2 (10.0.1.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.0.1.2: icmp_req=1 ttl=64 time=0.121 ms
64 bytes from 10.0.1.2: icmp_req=2 ttl=64 time=0.072 ms
64 bytes from 10.0.1.2: icmp_req=3 ttl=64 time=0.069 ms

--- 10.0.1.2 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 1999ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.069/0.087/0.121/0.025 ms

配置lldpd检查线路链接情况

随着虚拟网络环境增加，环境中网卡数量也在不断增加，经常会忘记环境中哪些网卡连接到哪里，通过 Link Layer Discovery Protocol，我们可以清楚看到每个网卡连接到了哪些环境中的哪个网卡。

github 上有一个 lldp 在 linux 下的开源实现 implementation of IEEE 802.1ab (LLDP)，通过在每个环境中起一个 lldp daemon，我们就可以实时查看每个网卡的连接情况。

Bridge 上 lldp 的数据

$ lldpcli show neighbors

LLDP neighbors:

Interface:    bridge-net0, via: LLDP, RID: 2, Time: 0 day, 00:06:53
  Chassis:
    ChassisID:    mac 82:be:2a:ec:70:69
    SysName:      localhost
    SysDescr:     net0
    Capability:   Bridge, off
    Capability:   Router, off
    Capability:   Wlan, off
  Port:
    PortID:       mac 82:be:2a:ec:70:69
    PortDescr:    net0-bridge

Interface:    bridge-net1, via: LLDP, RID: 1, Time: 0 day, 00:06:53
  Chassis:
    ChassisID:    mac b2:34:28:b1:be:49
    SysName:      localhost
    SysDescr:     net1
    Capability:   Bridge, off
    Capability:   Router, off
    Capability:   Wlan, off
  Port:
    PortID:       mac b2:34:28:b1:be:49
    PortDescr:    net1-bridge

参考文献

1. Linux容器
2. 网络虚拟化技术（一）: Linux网络虚拟化
3. Linux 上的基础网络设备详解-抽象网络设备的原理及使用
4. Linux命名空间学习教程（一） UTS
5. Linux命名空间学习教程（二） IPC
6. Linux命名空间学习教程（三） PID
7. Linux命名空间学习教程（四）NS(FS)
8. Linux命名空间学习教程（五）NET
9. iproute2
10. Introduction to Linux namespaces – Part 5: NET