详解云计算网络底层技术——Linux network namespace 原理与实践

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本文通过 IP 命令操作来简单介绍 network namespace 的基本概念和用法。深入了解可以看看我之前写的两篇文章 Docker 基础技术之 Linux namespace 详解和 Docker 基础技术之 Linux namespace 源码分析。

和 network namespace 相关的操作的子命令是 ip netns 。

1. ip netns add xx 创建一个 namespace

# ip netns add net1
# ip netns ls
net1

2. ip netns exec xx yy 在新 namespace xx 中执行 yy 命令

# ip netns exec net1 ip addr 
1: lo:  mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
# ip netns exec net1 bash // 在 net1 中打开一个shell终端
# ip addr // 在net1中的shell终端
1: lo:  mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
# exit // 退出net1

上面 bash 不好区分是当前是在哪个 shell，可以采用下面的方法解决：

# ip netns exec net1 /bin/bash --rcfile <(echo "PS1=\"namespace net1> \"")
namespace net1> ping www.baidu.com

每个 namespace 在创建的时候会自动创建一个回环接口 lo ，默认不启用，可以通过 ip link set lo up 启用。

3. network namespace 之间的通信

新创建的 namespace 默认不能和主机网络，以及其他 namespace 通信。

可以使用 Linux 提供的 veth pair 来完成通信。下面显示两个 namespace 之间通信的网络拓扑：

3.1 ip link add type veth 创建 veth pair

# ip link add type veth
# ip link
3: veth0@veth1:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 1a:53:39:5a:26:12 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
4: veth1@veth0:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 46:df:46:1f:bf:d6 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

使用命令 ip link add xxx type veth peer name yyy 指定 veth pair 的名字。

3.2 ip link set xx netns yy 将 veth xx 加入到 namespace yy 中

# ip link set veth0 netns net0
# ip link set veth1 netns net1
#
# ip netns exec net0 ip addr
1: lo:  mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
10: veth0@if11:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
    link/ether 1a:53:39:5a:26:12 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1

3.3 给 veth pair 配上 ip 地址

# ip netns exec net0 ip link set veth0 up
# ip netns exec net0 ip addr
1: lo:  mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
10: veth0@if11:  mtu 1500 qdisc noqueue state LOWERLAYERDOWN group default qlen 1000
    link/ether 1a:53:39:5a:26:12 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1
# ip netns exec net0 ip addr add 10.1.1.1/24 dev veth0
# ip netns exec net0 ip route
10.1.1.0/24 dev veth0  proto kernel  scope link  src 10.1.1.1 linkdown
#
# ip netns exec net1 ip link set veth1 up
# ip netns exec net1 ip addr add 10.1.1.2/24 dev veth1

可以看到，在配完 ip 之后，还自动生成了对应的路由表信息。

3.4. ping 测试两个 namespace 的连通性

# ip netns exec net0 ping 10.1.1.2
PING 10.1.1.2 (10.1.1.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.1.1.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.069 ms
64 bytes from 10.1.1.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.054 ms
64 bytes from 10.1.1.2: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.053 ms
64 bytes from 10.1.1.2: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.053 ms

Done!

4. 多个不同 namespace 之间的通信

2 个 namespace 之间通信可以借助 veth pair ，多个 namespace 之间的通信则可以使用 bridge 来转接，不然每两个 namespace 都去配 veth pair 将会是一件麻烦的事。下面就看看如何使用 bridge 来转接。

拓扑图如下：

4.1 使用 ip link 和 brctl 创建 bridge

通常 Linux 中和 bridge 有关的操作是使用命令 brctl (yum install -y bridge-utils ) 。但为了前后照应，这里都用 ip 相关的命令来操作。

// 建立一个 bridge
# ip link add br0 type bridge
# ip link set dev br0 up
9: br0:  mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/ether 42:55:ed:eb:a0:07 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet6 fe80::4055:edff:feeb:a007/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

4.2 创建 veth pair

//（1）创建 3 个 veth pair
# ip link add type veth
# ip link add type veth
# ip link add type veth

4.3 将 veth pair 的一头挂到 namespace 中，一头挂到 bridge 上，并设 IP 地址

// （1）配置第 1 个 net0
# ip link set dev veth1 netns net0
# ip netns exec net0 ip link set dev veth1 name eth0
# ip netns exec net0 ip addr add 10.0.1.1/24 dev eth0
# ip netns exec net0 ip link set dev eth0 up
#
# ip link set dev veth0 master br0
# ip link set dev veth0 up

// （2）配置第 2 个 net1
# ip link set dev veth3 netns net1
# ip netns exec net1 ip link set dev veth3 name eth0
# ip netns exec net1 ip addr add 10.0.1.2/24 dev eth0
# ip netns exec net1 ip link set dev eth0 up
#
# ip link set dev veth2 master br0
# ip link set dev veth2 up

// （3）配置第 3 个 net2
# ip link set dev veth5 netns net2
# ip netns exec net2 ip link set dev veth5 name eth0
# ip netns exec net2 ip addr add 10.0.1.3/24 dev eth0
# ip netns exec net2 ip link set dev eth0 up
# 
# ip link set dev veth4 master br0
# ip link set dev veth4 up

这样之后，竟然通不了，经查阅参见，是因为

原因是因为系统为bridge开启了iptables功能，导致所有经过br0的数据包都要受iptables里面规则的限制，而docker为了安全性（我的系统安装了 docker），将iptables里面filter表的FORWARD链的默认策略设置成了drop，于是所有不符合docker规则的数据包都不会被forward，导致你这种情况ping不通。

解决办法有两个，二选一：

关闭系统bridge的iptables功能，这样数据包转发就不受iptables影响了：echo 0 > /proc/sys/net/bridge/bridge-nf-call-iptables

为br0添加一条iptables规则，让经过br0的包能被forward：iptables -A FORWARD -i br0 -j ACCEPT

第一种方法不确定会不会影响docker，建议用第二种方法。

我采用以下方法解决：

iptables -A FORWARD -i br0 -j ACCEPT

结果：

# ip netns exec net0 ping -c 2 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_seq=1 ttl=64 time=0.071 ms
64 bytes from 10.0.1.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.072 ms

--- 10.0.1.2 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 999ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.071/0.071/0.072/0.008 ms

# ip netns exec net0 ping -c 2 10.0.1.3
PING 10.0.1.3 (10.0.1.3) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.0.1.3: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.071 ms
64 bytes from 10.0.1.3: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.087 ms

--- 10.0.1.3 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1000ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.071/0.079/0.087/0.008 ms