linux network namespace 學習

介紹

在專業的網絡世界中，常常使用到Virtual Routing and Forwarding（VRF），好比Cisco，Alcatel-Lucent, Juniper 等。對於L2 switch，自從上世紀90年代就開始使用VLAN，一個物理交換機上可使用多個廣播域，現在大多數交換機都支持4K vlan。

這個概念被引入到L3，現在不少網絡設備支持VRF。這意味着，單個物理設備上可運行多個虛擬路由（L3 轉發實例）。

在linux中，VRF被叫作「network namespace」，固然了linux中還包括其餘namespace，不過本文不討論。

每一個network namespace擁有其對應的路由表（routing table）& 其對應的iptables，而且運行程序運行其中。 爲何有人使用它？好比一個運行在linux上的 Firewall，將firewall的全部服務端口分配給一個network namespace，這樣，默認的network namespace 和 Firewall network namespace就運行着不一樣的路由表。像SSH這樣的application運行在默認的network namespace，可是不在Firewall network namespace。

下面展現了其基本用法。

Basic network namespace commands

基本命令爲「ip」，有些用戶使用它來代替廢棄的 ifconfig，route，netstat... 必須爲root用戶來使用它，這樣才能更改network stack的配置。下面是ip命令和其餘命令的映射：

ifconfig                                            --> ip addr or just ip a
ifconfig <interface> up/down                        --> ip link set dev <interface> up/down
ifconfig <interface> <ip> netmask <netmask>         --> ip addr add <ip>/<masklen> dev <interface>
netstat -rn                                         --> ip route or just ip r
route add -net <net> netmask <netmask> gw <gateway> --> ip r add <net>/<netmasklen> via <gateway>

Check your Linux for namespace support

使用前，先檢查系統是否支持。

Creating a network namespace

# add a new namespace
ip netnas add <network namespace name>
#Example:
ip netns add nstest

Listing all existing network namespaces in the system

# list all namespaces
ip netns list
#will show the namespace from above
 
nstest

Deleting a network namespace

ip netns delete <network namespace name>

Executing a command in a network namespace

下面展現了使程序運行在network namespace中的「黑魔法」。

# execute a command in a namespace
ip netns exec <network namespace name> <command>
#Example using the namespace from above:
ip netns exec nstest ip addr

展現了在此network namespace中的全部的ip interface

lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT 
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00

一個髒技巧是在network namespace中運行shell：

ip netns exec <network namespace name> bash

如今，你已經「trapped」入namespace中了，exit退出。

Exploring the network namespace

當咱們已經建立了network namespace，第一個task是bring up其中的lo interface。應該注意到的是，在建立了network namespace後，lo interface的狀態是down。若是忽略了這個，可能會發生一些奇怪的事。

# set the link of lo in the namespace to up
ip netns exec nstest ip link set dev lo up
# list all interfaces and the state in the namespace 
ip netns exec nstest ip link

如今lo interface狀態爲up，如今，是時候將network namespace連接到外部空間。

Adding interfaces to a network namespace

將一個物理interface分配給network namespace是不可能的，而是使用 virtual interface來實現。因此，咱們先建立一個virtual interface，一樣使用 ip command：

ip link add veth-a type veth peer name veth-b

上述命令建立了兩個virtual interface，分別爲veth-a & veth-b,他們之間經過一個virtual cable連接。ip link命令顯示了在默認namespace下這兩個interface的信息。

ip link
veth-b: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
 link/ether 72:01:ad:c5:67:84 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
veth-a: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
 link/ether 8e:8b:bd:b1:88:e5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

下面咱們將其中的一個interface添加入以前咱們建立的namespace nstest：

ip link set veth-b netns nstest

如今veth-b不在默認的namespace下了，而出如今了nstest 中，使用以下命令驗證：

# list all interfaces in the namespace nstest
ip netns exec nstest ip link
 
lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT 
 link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
veth-b: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
 link/ether 72:01:ad:c5:67:84 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

如今，在network namespace nstest中，就擁有了兩個interface。

Assign ip addresses to the veth interfaces

如今是時候爲這個veth interface分配ip而且使他的狀態爲up。

# default namespace
ip addr add 10.0.0.1/24 dev veth-a
ip link set dev veth-a up
#
# namespace nstest
ip netns exec nstest ip addr add 10.0.0.2/24 dev veth-b
ip netns exec nstest ip link set dev veth-b up

可經過「ip link」查看interface狀態是否爲up，使用「ip addr」查看interface的ip 地址，使用「ip route」查看其路由。

如今能夠在default namespace中，經過veth-a來ping通 位於 nstest中的veth-b。

ping 10.0.0.2
PING 10.0.0.2 (10.0.0.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=1 ttl=64 time=0.054 ms
64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=2 ttl=64 time=0.034 ms
64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=3 ttl=64 time=0.039 ms
64 bytes from 10.0.0.2: icmp_req=4 ttl=64 time=0.036 ms

以及在nstest network namespace中，經過veth-b來ping通 veth-a：

ip netns exec nstest ping 10.0.0.1
PING 10.0.0.1 (10.0.0.1) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.0.0.1: icmp_req=1 ttl=64 time=0.064 ms
64 bytes from 10.0.0.1: icmp_req=2 ttl=64 time=0.036 ms
64 bytes from 10.0.0.1: icmp_req=3 ttl=64 time=0.039 ms

Demo

下面一塊兒來實現一個demo，最終實現以下的case：

首先，先創建對應的namespace：

$ sudo ip netns add server
$ sudo ip netns add gateway
$ sudo ip netns add client
$ ip netns list
client
gateway
server

而後，啓用gateway namespace中的ip forward功能，注意，操做全是在root權限下執行：

$ ip netns exec gateway sysctl net.ipv4.ip_forward=1
net.ipv4.ip_forward = 1

下面咱們來建立兩對veth，用來鏈接不一樣的namespace：

$ ip link add svr-veth type veth peer name svrgw-veth
$ ip link add cli-veth type veth peer name cligw-veth
$ ip link show | grep veth
3: svrgw-veth:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
4: svr-veth:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
5: cligw-veth:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
6: cli-veth:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000

將veth對的兩端加入對應的namespace中，這樣在默認的default namespace中就看不到他們了：

$ ip link set svr-veth netns server
$ ip link set svrgw-veth netns gateway
$ ip link set cligw-veth netns gateway
$ ip link set cli-veth netns client
$ ip link show | grep veth

在指定的namespace上能夠看到對應的interface：

$ ip netns exec server ip link show | grep veth
4: svr-veth:  mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000

爲各個veth分配ip：

$ ip netns exec server ifconfig svr-veth 192.168.100.1
$ ip netns exec gateway ifconfig svrgw-veth 192.168.100.254
$ ip netns exec gateway ifconfig cligw-veth 10.0.100.254
$ ip netns exec client ifconfig cli-veth 10.0.100.1

在各個veth對中，經過ping來檢查連通性：

$ ip netns exec gateway ping 192.168.100.1 -I 192.168.100.254
PING 192.168.100.1 (192.168.100.1) from 192.168.100.254 : 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.100.1: icmp_req=1 ttl=64 time=0.044 ms
64 bytes from 192.168.100.1: icmp_req=2 ttl=64 time=0.036 ms
64 bytes from 192.168.100.1: icmp_req=3 ttl=64 time=0.040 ms
^C
--- 192.168.100.1 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 1999ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.036/0.040/0.044/0.003 ms

$ ip netns exec gateway ping 10.0.100.1 -I 10.0.100.254
PING 10.0.100.1 (10.0.100.1) from 10.0.100.254 : 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.0.100.1: icmp_req=1 ttl=64 time=0.107 ms
64 bytes from 10.0.100.1: icmp_req=2 ttl=64 time=0.037 ms
64 bytes from 10.0.100.1: icmp_req=3 ttl=64 time=0.037 ms
^C
--- 10.0.100.1 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 1998ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.037/0.060/0.107/0.033 ms

接下來設定路由，將各namespace中的默認路由指向對應的veth ip：

$ sudo ip netns exec client route add default gw 10.0.100.254
$ sudo ip netns exec client netstat -rn
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags   MSS Window  irtt Iface
0.0.0.0         10.0.100.254    0.0.0.0         UG        0 0          0 cli-veth
10.0.0.0        0.0.0.0         255.0.0.0       U         0 0          0 cli-veth
$ ip netns exec server route add default gw 192.168.100.254
$ ip netns exec server netstat -rn
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags   MSS Window  irtt Iface
0.0.0.0         192.168.100.254 0.0.0.0         UG        0 0          0 svr-veth
192.168.100.0   0.0.0.0         255.255.255.0   U         0 0          0 svr-veth

最後咱們嘗試從client namespace 到 server namespace的網絡連通性，經過ping命令來測試：

$ ip netns exec client ping 192.168.100.1 -I 10.0.100.1
PING 192.168.100.1 (192.168.100.1) from 10.0.100.1 : 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.100.1: icmp_req=1 ttl=63 time=0.106 ms
64 bytes from 192.168.100.1: icmp_req=2 ttl=63 time=0.076 ms
64 bytes from 192.168.100.1: icmp_req=3 ttl=63 time=0.050 ms
^C
--- 192.168.100.1 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 1999ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.050/0.077/0.106/0.024 ms

ok，運行良好。