Linux 虛擬網絡設備 veth-pair 詳解，看這一篇就夠了

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前面這篇文章介紹了 tap/tun 設備之后，大家應該對虛擬網絡設備有了一定的了解，本文來看另外一種虛擬網絡設備 veth-pair。

01 veth-pair 是什么

顧名思義，veth-pair 就是一對的虛擬設備接口，和 tap/tun 設備不同的是，它都是成對出現的。一端連着協議棧，一端彼此相連着。如下圖所示：

正因為有這個特性，它常常充當着一個橋梁，連接着各種虛擬網絡設備，典型的例子像“兩個 namespace 之間的連接”，“Bridge、OVS 之間的連接”，“Docker 容器之間的連接” 等等，以此構建出非常復雜的虛擬網絡結構，比如 OpenStack Neutron。

02 veth-pair 的連通性

我們給上圖中的 veth0 和 veth1 分別配上 IP：10.1.1.2 和 10.1.1.3，然后從 veth0 ping 一下 veth1。理論上它們處於同網段，是能 ping 通的，但結果卻是 ping 不通。

抓個包看看，tcpdump -nnt -i veth0

root@ubuntu:~# tcpdump -nnt -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
ARP, Request who-has 10.1.1.3 tell 10.1.1.2, length 28
ARP, Request who-has 10.1.1.3 tell 10.1.1.2, length 28

可以看到，由於 veth0 和 veth1 處於同一個網段，且是第一次連接，所以會事先發 ARP 包，但 veth1 並沒有響應 ARP 包。

經查閱，這是由於我使用的 Ubuntu 系統內核中一些 ARP 相關的默認配置限制所導致的，需要修改一下配置項：

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth1/accept_local
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth0/accept_local
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/rp_filter
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth0/rp_filter
echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth1/rp_filter

完了再 ping 就行了。

root@ubuntu:~# ping -I veth0 10.1.1.3 -c 2
PING 10.1.1.3 (10.1.1.3) from 10.1.1.2 veth0: 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.047 ms
64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.064 ms

--- 10.1.1.3 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 3008ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.047/0.072/0.113/0.025 ms

我們對這個通信過程比較感興趣，可以抓包看看。

對於 veth0 口：

root@ubuntu:~# tcpdump -nnt -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
ARP, Request who-has 10.1.1.3 tell 10.1.1.2, length 28
ARP, Reply 10.1.1.3 is-at 5a:07:76:8e:fb:cd, length 28
IP 10.1.1.2 > 10.1.1.3: ICMP echo request, id 2189, seq 1, length 64
IP 10.1.1.2 > 10.1.1.3: ICMP echo request, id 2189, seq 2, length 64
IP 10.1.1.2 > 10.1.1.3: ICMP echo request, id 2189, seq 3, length 64
IP 10.1.1.2 > 10.1.1.3: ICMP echo request, id 2244, seq 1, length 64

對於 veth1 口：

root@ubuntu:~# tcpdump -nnt -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
ARP, Request who-has 10.1.1.3 tell 10.1.1.2, length 28
ARP, Reply 10.1.1.3 is-at 5a:07:76:8e:fb:cd, length 28
IP 10.1.1.2 > 10.1.1.3: ICMP echo request, id 2189, seq 1, length 64
IP 10.1.1.2 > 10.1.1.3: ICMP echo request, id 2189, seq 2, length 64
IP 10.1.1.2 > 10.1.1.3: ICMP echo request, id 2189, seq 3, length 64
IP 10.1.1.2 > 10.1.1.3: ICMP echo request, id 2244, seq 1, length 64

奇怪，我們並沒有看到 ICMP 的 echo reply 包，那它是怎么 ping 通的？

其實這里 echo reply 走的是 localback 口，不信抓個包看看：

root@ubuntu:~# tcpdump -nnt -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
IP 10.1.1.3 > 10.1.1.2: ICMP echo reply, id 2244, seq 1, length 64
IP 10.1.1.3 > 10.1.1.2: ICMP echo reply, id 2244, seq 2, length 64
IP 10.1.1.3 > 10.1.1.2: ICMP echo reply, id 2244, seq 3, length 64
IP 10.1.1.3 > 10.1.1.2: ICMP echo reply, id 2244, seq 4, length 64

為什么？

我們看下整個通信流程就明白了。

1. 首先 ping 程序構造 ICMP echo request，通過 socket 發給協議棧。
2. 由於 ping 指定了走 veth0 口，如果是第一次，則需要發 ARP 請求，否則協議棧直接將數據包交給 veth0。
3. 由於 veth0 連着 veth1，所以 ICMP request 直接發給 veth1。
4. veth1 收到請求后，交給另一端的協議棧。
5. 協議棧看本地有 10.1.1.3 這個 IP，於是構造 ICMP reply 包，查看路由表，發現回給 10.1.1.0 網段的數據包應該走 localback 口，於是將 reply 包交給 lo 口（會優先查看路由表的 0 號表，ip route show table 0 查看）。
6. lo 收到協議棧的 reply 包后，啥都沒干，轉手又回給協議棧。
7. 協議棧收到 reply 包之后，發現有 socket 在等待包，於是將包給 socket。
8. 等待在用戶態的 ping 程序發現 socket 返回，於是就收到 ICMP 的 reply 包。

整個過程如下圖所示：

03 兩個 namespace 之間的連通性

namespace 是 Linux 2.6.x 內核版本之后支持的特性，主要用於資源的隔離。有了 namespace，一個 Linux 系統就可以抽象出多個網絡子系統，各子系統間都有自己的網絡設備，協議棧等，彼此之間互不影響。

如果各個 namespace 之間需要通信，怎么辦呢，答案就是用 veth-pair 來做橋梁。

根據連接的方式和規模，可以分為“直接相連”，“通過 Bridge 相連” 和 “通過 OVS 相連”。

3.1 直接相連

直接相連是最簡單的方式，如下圖，一對 veth-pair 直接將兩個 namespace 連接在一起。

給 veth-pair 配置 IP，測試連通性：

# 創建 namespace
ip netns a ns1
ip netns a ns2

# 創建一對 veth-pair veth0 veth1
ip l a veth0 type veth peer name veth1

# 將 veth0 veth1 分別加入兩個 ns
ip l s veth0 netns ns1
ip l s veth1 netns ns2

# 給兩個 veth0 veth1 配上 IP 並啟用
ip netns exec ns1 ip a a 10.1.1.2/24 dev veth0
ip netns exec ns1 ip l s veth0 up
ip netns exec ns2 ip a a 10.1.1.3/24 dev veth1
ip netns exec ns2 ip l s veth1 up

# 從 veth0 ping veth1
[root@localhost ~]# ip netns exec ns1 ping 10.1.1.3
PING 10.1.1.3 (10.1.1.3) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.073 ms
64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.068 ms

--- 10.1.1.3 ping statistics ---
15 packets transmitted, 15 received, 0% packet loss, time 14000ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.068/0.084/0.201/0.032 ms

3.2 通過 Bridge 相連

Linux Bridge 相當於一台交換機，可以中轉兩個 namespace 的流量，我們看看 veth-pair 在其中扮演什么角色。

如下圖，兩對 veth-pair 分別將兩個 namespace 連到 Bridge 上。

同樣給 veth-pair 配置 IP，測試其連通性：

# 首先創建 bridge br0
ip l a br0 type bridge
ip l s br0 up 

# 然后創建兩對 veth-pair
ip l a veth0 type veth peer name br-veth0
ip l a veth1 type veth peer name br-veth1

# 分別將兩對 veth-pair 加入兩個 ns 和 br0
ip l s veth0 netns ns1
ip l s br-veth0 master br0
ip l s br-veth0 up

ip l s veth1 netns ns2
ip l s br-veth1 master br0
ip l s br-veth1 up

# 給兩個 ns 中的 veth 配置 IP 並啟用
ip netns exec ns1 ip a a 10.1.1.2/24 dev veth0
ip netns exec ns1 ip l s veth0 up

ip netns exec ns2 ip a a 10.1.1.3/24 dev veth1
ip netns exec ns2 ip l s veth1 up

# veth0 ping veth1
[root@localhost ~]# ip netns exec ns1 ping 10.1.1.3
PING 10.1.1.3 (10.1.1.3) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.060 ms
64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.105 ms

--- 10.1.1.3 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 999ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.060/0.082/0.105/0.024 ms

3.3 通過 OVS 相連

OVS 是第三方開源的 Bridge，功能比 Linux Bridge 要更強大，對於同樣的實驗，我們用 OVS 來看看是什么效果。

如下圖所示：

同樣測試兩個 namespace 之間的連通性：

# 用 ovs 提供的命令創建一個 ovs bridge
ovs-vsctl add-br ovs-br

# 創建兩對 veth-pair
ip l a veth0 type veth peer name ovs-veth0
ip l a veth1 type veth peer name ovs-veth1

# 將 veth-pair 兩端分別加入到 ns 和 ovs bridge 中
ip l s veth0 netns ns1
ovs-vsctl add-port ovs-br ovs-veth0
ip l s ovs-veth0 up

ip l s veth1 netns ns2
ovs-vsctl add-port ovs-br ovs-veth1
ip l s ovs-veth1 up

# 給 ns 中的 veth 配置 IP 並啟用
ip netns exec ns1 ip a a 10.1.1.2/24 dev veth0
ip netns exec ns1 ip l s veth0 up

ip netns exec ns2 ip a a 10.1.1.3/24 dev veth1
ip netns exec ns2 ip l s veth1 up

# veth0 ping veth1
[root@localhost ~]# ip netns exec ns1 ping 10.1.1.3
PING 10.1.1.3 (10.1.1.3) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.311 ms
64 bytes from 10.1.1.3: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.087 ms
^C
--- 10.1.1.3 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 999ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.087/0.199/0.311/0.112 ms

總結

veth-pair 在虛擬網絡中充當着橋梁的角色，連接多種網絡設備構成復雜的網絡。

veth-pair 的三個經典實驗，直接相連、通過 Bridge 相連和通過 OVS 相連。

參考

http://www.opencloudblog.com/?p=66

https://segmentfault.com/a/1190000009251098

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