Linux虛擬網絡設備之veth

時間  2019-11-08
標籤 linux 虛擬 網絡設備 veth 欄目 Linux 简体版
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有了上一篇關於tun/tap的介紹以後，你們應該對虛擬網絡設備有了必定的瞭解，本篇將接着介紹另外一種虛擬網絡設備veth。ubuntu

veth設備的特色

  • veth和其它的網絡設備都同樣，一端鏈接的是內核協議棧。
  • veth設備是成對出現的，另外一端兩個設備彼此相連
  • 一個設備收到協議棧的數據發送請求後，會將數據發送到另外一個設備上去。

下面這張關係圖很清楚的說明了veth設備的特色：segmentfault

+----------------------------------------------------------------+
|                                                                |
|       +------------------------------------------------+       |
|       |             Newwork Protocol Stack             |       |
|       +------------------------------------------------+       |
|              ↑               ↑               ↑                 |
|..............|...............|...............|.................|
|              ↓               ↓               ↓                 |
|        +----------+    +-----------+   +-----------+           |
|        |   eth0   |    |   veth0   |   |   veth1   |           |
|        +----------+    +-----------+   +-----------+           |
|192.168.1.11  ↑               ↑               ↑                 |
|              |               +---------------+                 |
|              |         192.168.2.11     192.168.2.1            |
+--------------|-------------------------------------------------+
               ↓
         Physical Network

上圖中，咱們給物理網卡eth0配置的IP爲192.168.1.11， 而veth0和veth1的IP分別是192.168.2.11和192.168.2.1。緩存

示例

咱們經過示例的方式來一步一步的看看veth設備的特色。bash

只給一個veth設備配置IP

先經過ip link命令添加veth0和veth1，而後配置veth0的IP，並將兩個設備都啓動起來網絡

dev@debian:~$ sudo ip link add veth0 type veth peer name veth1
dev@debian:~$ sudo ip addr add 192.168.2.11/24 dev veth0
dev@debian:~$ sudo ip link set veth0 up
dev@debian:~$ sudo ip link set veth1 up

這裏不給veth1設備配置IP的緣由就是想看看在veth1沒有IP的狀況下，veth0收到協議棧的數據後會不會轉發給veth1。socket

ping一下192.168.2.1，因爲veth1還沒配置IP，因此確定不通tcp

dev@debian:~$ ping -c 4 192.168.2.1
PING 192.168.2.1 (192.168.2.1) 56(84) bytes of data.
From 192.168.2.11 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
From 192.168.2.11 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable
From 192.168.2.11 icmp_seq=3 Destination Host Unreachable
From 192.168.2.11 icmp_seq=4 Destination Host Unreachable

--- 192.168.2.1 ping statistics ---
4 packets transmitted, 0 received, +4 errors, 100% packet loss, time 3015ms
pipe 3

但爲何ping不通呢？是到哪一步失敗的呢？spa

先看看抓包的狀況，從下面的輸出能夠看出，veth0和veth1收到了一樣的ARP請求包，但沒有看到ARP應答包：code

dev@debian:~$ sudo tcpdump -n -i veth0
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on veth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
20:20:18.285230 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:19.282018 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:20.282038 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:21.300320 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:22.298783 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:23.298923 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28

dev@debian:~$ sudo tcpdump -n -i veth1
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on veth1, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
20:20:48.570459 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:49.570012 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:50.570023 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:51.570023 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:52.569988 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:53.570833 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28

爲何會這樣呢？瞭解ping背後發生的事情後就明白了：blog

  1. ping進程構造ICMP echo請求包，並經過socket發給協議棧，
  2. 協議棧根據目的IP地址和系統路由表，知道去192.168.2.1的數據包應該要由192.168.2.11口出去
  3. 因爲是第一次訪問192.168.2.1，且目的IP和本地IP在同一個網段，因此協議棧會先發送ARP出去，詢問192.168.2.1的mac地址
  4. 協議棧將ARP包交給veth0，讓它發出去
  5. 因爲veth0的另外一端連的是veth1，因此ARP請求包就轉發給了veth1
  6. veth1收到ARP包後，轉交給另外一端的協議棧
  7. 協議棧一看本身的設備列表，發現本地沒有192.168.2.1這個IP，因而就丟棄了該ARP請求包，這就是爲何只能看到ARP請求包，看不到應答包的緣由

給兩個veth設備都配置IP

給veth1也配置上IP

dev@debian:~$ sudo ip addr add 192.168.2.1/24 dev veth1

再ping 192.168.2.1成功（因爲192.168.2.1是本地IP，因此默認會走lo設備，爲了不這種狀況，這裏使用ping命令帶上了-I參數，指定數據包走指定設備）

dev@debian:~$ ping -c 4 192.168.2.1 -I veth0
PING 192.168.2.1 (192.168.2.1) from 192.168.2.11 veth0: 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.2.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.032 ms
64 bytes from 192.168.2.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.048 ms
64 bytes from 192.168.2.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.055 ms
64 bytes from 192.168.2.1: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.050 ms

--- 192.168.2.1 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 3002ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.032/0.046/0.055/0.009 ms
注意：對於非debian系統，這裏有可能ping不通，主要是由於內核中的一些ARP相關配置致使veth1不返回ARP應答包，如ubuntu上就會出現這種狀況，解決辦法以下：
root@ubuntu:~# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth1/accept_local
root@ubuntu:~# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth0/accept_local
root@ubuntu:~# echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/rp_filter
root@ubuntu:~# echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth0/rp_filter
root@ubuntu:~# echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth1/rp_filter

再來看看抓包狀況，咱們在veth0和veth1上都看到了ICMP echo的請求包，但爲何沒有應答包呢？上面不是顯示ping進程已經成功收到了應答包嗎？

dev@debian:~$ sudo tcpdump -n -i veth0
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on veth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
20:23:43.113062 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24169, seq 1, length 64
20:23:44.112078 IP 192.168.2.11 
> 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24169, seq 2, length 64
20:23:45.111091 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24169, seq 3, length 64
20:23:46.110082 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24169, seq 4, length 64


dev@debian:~$ sudo tcpdump -n -i veth1
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on veth1, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
20:24:12.221372 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24174, seq 1, length 64
20:24:13.222089 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24174, seq 2, length 64
20:24:14.224836 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24174, seq 3, length 64
20:24:15.223826 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24174, seq 4, length 64

看看數據包的流程就明白了：

  1. ping進程構造ICMP echo請求包，並經過socket發給協議棧，
  2. 因爲ping程序指定了走veth0，而且本地ARP緩存裏面已經有了相關記錄，因此不用再發送ARP出去，協議棧就直接將該數據包交給了veth0
  3. 因爲veth0的另外一端連的是veth1，因此ICMP echo請求包就轉發給了veth1
  4. veth1收到ICMP echo請求包後，轉交給另外一端的協議棧
  5. 協議棧一看本身的設備列表，發現本地有192.168.2.1這個IP，因而構造ICMP echo應答包，準備返回
  6. 協議棧查看本身的路由表，發現回給192.168.2.11的數據包應該走lo口，因而將應答包交給lo設備
  7. lo接到協議棧的應答包後，啥都沒幹，轉手又把數據包還給了協議棧（至關於協議棧經過發送流程把數據包給lo，而後lo再將數據包交給協議棧的接收流程）
  8. 協議棧收到應答包後，發現有socket須要該包，因而交給了相應的socket
  9. 這個socket正好是ping進程建立的socket，因而ping進程收到了應答包

抓一下lo設備上的數據，發現應答包確實是從lo口回來的：

dev@debian:~$ sudo tcpdump -n -i lo
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on lo, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
20:25:49.590273 IP 192.168.2.1 > 192.168.2.11: ICMP echo reply, id 24177, seq 1, length 64
20:25:50.590018 IP 192.168.2.1 > 192.168.2.11: ICMP echo reply, id 24177, seq 2, length 64
20:25:51.590027 IP 192.168.2.1 > 192.168.2.11: ICMP echo reply, id 24177, seq 3, length 64
20:25:52.590030 IP 192.168.2.1 > 192.168.2.11: ICMP echo reply, id 24177, seq 4, length 64

試着ping下其它的IP

ping 192.168.2.0/24網段的其它IP失敗，ping一個公網的IP也失敗：

dev@debian:~$ ping -c 1 -I veth0 192.168.2.2
PING 192.168.2.2 (192.168.2.2) from 192.168.2.11 veth0: 56(84) bytes of data.
From 192.168.2.11 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable

--- 192.168.2.2 ping statistics ---
1 packets transmitted, 0 received, +1 errors, 100% packet loss, time 0ms

dev@debian:~$ ping -c 1 -I veth0 baidu.com
PING baidu.com (111.13.101.208) from 192.168.2.11 veth0: 56(84) bytes of data.
From 192.168.2.11 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable

--- baidu.com ping statistics ---
1 packets transmitted, 0 received, +1 errors, 100% packet loss, time 0ms

從抓包來看，和上面第一種veth1沒有配置IP的狀況是同樣的，ARP請求沒人處理

dev@debian:~$ sudo tcpdump -i veth1
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on veth1, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
02:25:23.223947 ARP, Request who-has 192.168.2.2 tell 192.168.2.11, length 28
02:25:24.224352 ARP, Request who-has 192.168.2.2 tell 192.168.2.11, length 28
02:25:25.223471 ARP, Request who-has 192.168.2.2 tell 192.168.2.11, length 28
02:25:27.946539 ARP, Request who-has 123.125.114.144 tell 192.168.2.11, length 28
02:25:28.946633 ARP, Request who-has 123.125.114.144 tell 192.168.2.11, length 28
02:25:29.948055 ARP, Request who-has 123.125.114.144 tell 192.168.2.11, length 28

結束語

從上面的介紹中能夠看出，從veth0設備出去的數據包，會轉發到veth1上，若是目的地址是veth1的IP的話，就能被協議棧處理，不然連ARP那關都過不了，IP forward啥的都用不上，因此不借助其它虛擬設備的話，這樣的數據包只能在本地協議棧裏面打轉轉，無法走到eth0上去，即無法發送到外面的網絡中去。

下一篇將介紹Linux下的網橋，到時候veth設備就有用武之地了。

參考

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