概述


Linux提供了许多虚拟网络设备用于运行VMs和containers。下面对这些网络虚拟化设备做相应介绍。


Bridge

Bridge类似于一个网络交换机，用于交换数据包，连接不同的VMs, containers以及Host.


图1a：Bridge


# ip link add br0 type bridge
# ip link set eth0 master br0
# ip link set tap1 master br0
# ip link set tap2 master br0
# ip link set veth1 master br0


TUN / TAP

对于一个网络设备来说，就像一个管道，有两端，从其中任意一端收到的数据将从另一端发送出去。比如一个物理网卡eth0，它的两端分别是内核协议栈和外面的物理网络，从物理网络收到的数据，会转发给内核协议栈，而应用程序从协议栈发过来的数据将会通过物理网络发送出去。对于一个虚拟网络设备一端可以连接内核协议栈或其母设备，另一端取决于各种具体实现。


图1b：tun应用


  1. APP 1通过socket 1发送了一个数据包给目的地址192.168.1.10
  2. socket将这个数据包发给协议栈
  3. 协议栈根据数据包的目的IP地址，匹配本地路由规则，知道这个数据包应该由tun0出去，于是将数据包交给tun0
  4. tun0收到数据包之后，发现另一端被进程APP 2打开了，于是将数据包发给了APP 2
  5. 进程APP 2收到数据包之后，做一些跟业务相关的处理，然后构造一个新的数据包，将原来的数据包嵌入在新的数据包中，最后通过socket 2将数据包转发出去，而目的IP地址变成了一个和APP 2业务相关地址，比如是8.8.8.8.
  6. socket 2将数据包转给协议栈
  7. 协议栈根据本地路由，发现这个数据包应该要通过eth0发送出去，于是将数据包交给eth0
  8. eth0通过物理网络将数据包发送出去


tun/tap设备的用处是将协议栈中的部分数据包转发给用户空间的应用程序，通过文件接口暴露给用户空间的程序一个处理数据包的机会。用户层程序通过tun设备只能读写IP数据包，而通过tap设备能读写链路层数据包，类似于普通socket和raw socket的差别，处理数据包的格式不一样。


Bonded Interface

Bonded Interface用于将多个网络接口聚合成一个逻辑上的”bonded”接口。可用于故障备份或负载均衡等场景。


图2：Bonded Interface


Team Device

与Bonded Interface类似，将多个网络接口聚合成一个逻辑接口。参见 Bonded Interface vs Team Device


图3：Team Device


Linux中还有一种叫net_failover的虚拟设备，如下图所示，将半虚拟化的网卡方案和passthru的方案聚合成一个界面。增加了抵抗设备出错的风险。


图4：net_failover


VLAN

VLAN被用来划分子网，可以减少广播包对网络的压力。其通过往以太网数据包头添加一个TAG来实现过滤。下图是VLAN数据包格式:


图5：VLAN数据包格式


可以使用VLAN来分割VMs, Containers以及host中的网络。以下是一个例子


# ip link add link eth0 name eth0.2 type vlan id 2
# ip link add link eth0 name eth0.3 type vlan id 3


图6：VLAN


VXLAN

VXLAN (Virtual eXtensible Local Area Network),见IETF RFC 7348，是一种隧道协议。其解决了在划分大规模网络VLAN IDs不足（只有4096）的缺点。VXLAN有一个24-bit的 ID, 一共支持2^24(16777216)个virtual LANs。 其将L2的数据包添加上 VXLAN头，然后整个数据包作为一个UDP IP包在网络上传输。

VXLAN数据包格式如下图所示

图7：VXLAN数据包格式


VXLAN可以跨本地网络建立子网。

图8：VXLAN


# ip link add vx0 type vxlan id 100 local 1.1.1.1 remote 2.2.2.2 dev eth0 dstport 4789


参考 Introduction to Cloud Overlay Networks - VXLAN


VETH

VETH（virtual Ethernet）是一种本地以太网隧道。该设备成对出现，用于连接不同的namespace。如下图所示, 其一端收到的数据会直接发送给其peer端。

图9：VETH


# ip netns add net1
# ip netns add net2
# ip link add veth1 netns net1 type veth peer name veth2 netns net2


MACVLAN

使用VLAN， 你可以在一个网络接口上建立多个虚拟网络接口，并通过VLAN tag来过滤数据包。使用MACVLAN你可以在一个网络接口上建立多个拥有不同MAC地址的界面。

在MACVLAN之前，如果你想连接两个不同的namespace，需要时用 Bridge + VETH, 如下图所示

图10：VETH连接namespces

而使用MACVLAN取代 Bridge + VETH如下图所示

图11：MACVLAN

MACVLAN 有5中不同的模式，在隔离性上有所不同。

1 Private Mode: 该模式下，各个端点只能与外界通信。MACVLAN端点之间不能通信。

图12：MACVLAN Private Mode

2 VEPA Mode: 该模式下，各个端点可以与外界通信。MACVLAN端点之间通信需要外部Switch支持一个叫发夹弯（hairpin）的功能才可以。

图13：MACVLAN VEPA Mode

3 Bridge Mode: 该模式下，各个端点之间可以通信，与外界也可以通信。功能和Bridge + VETH一致。

图14：MACVLAN Bridge Mode

4 Passthru Mode: 该模式可以让Container直接连接外部Switch。

图15：MACVLAN Passthru Mode

5 Source Mode: 该模式主要用于traffic过滤，是一种基于MAC的VLAN。可参考 源代码


综上模式，Bridge Mode是最常用的模式。

# ip link add macvlan1 link eth0 type macvlan mode bridge
# ip link add macvlan2 link eth0 type macvlan mode bridge
# ip netns add net1
# ip netns add net2
# ip link set macvlan1 netns net1
# ip link set macvlan2 netns net2


IPVLAN

IPVLAN与 MACVLAN类似， 区别在于 IPVLAN各端点的MAC地址是相同的，与其parent设备一致。

图16：IPVLAN


IPVLAN可以工作在L2或L3模式。如果工作在L2模式，其parent设备的行为可以看成是Bridge或Switch，与 MACVLAN的区别在于其通过IP地址来过滤数据包，而后者通过MAC地址过滤。如果工作在L3模式，其parent设备的行为可以看成是一个Router。


图17：IPVLAN working in L2 Mode


图18：IPVLAN working in L3 Mode


MACVLAN与 IPVLAN在很多方面相似。下面介绍几需使用 IPVLAN 而非 MACVLAN的场景。

  • 1) 如果host连接的外部交换机只允许一个MAC地址。
  • 2) 如果出于性能考虑，需要关闭网卡杂项模式（promiscuous mode)， MACVLAN需要网卡运行在杂项模式。
  • 3) 创建的virtual device 超过了parent的MAC地址容量。
  • 4) 如果工作在不安全的L2网络


# ip netns add ns0
# ip link add name ipvl1 link eth0 type ipvlan mode l2
# ip link set dev ipvl0 netns ns0


MACVTAP/IPVTAP

类似 MACVLAN用以取代 Bridge + VETH 来连接不同的namespace. MACVTAP 用以取代 Bridge + TUN/TAP来连接不同的VMs。MACVLAN / IPVLAN 连接不同的namespace, 旨在将Guest namespace和Host的网络接口直接程序给外部Switch。MACVTAP / IPVTAP 连接不同VMs, 内核为其创建了设备文件/dev/tapX，可以直接被虚拟化软件QEMU使用。MACVTAP与 IPVTAP的区别 和 MACVLAN 与 IPVLAN的区别相类似。


图19：MACVTAP


# ip link add link eth0 name macvtap0 type macvtap


MACsec

MACsec (Media Access Control Security)， 是一个IEEE制定的以太网安全标准。其与IPsec类似，但其不仅可以保护IP数据包，还可以保护其他IP层之外的协议包，如ARP, 邻居发现协议包（neighbor discovery），DHCP包。其封包结构如下图所示:

图20：MACsec封包


其主要也是用在保护APR，NS, DHCP等以太网数据包

图21：MACsec


# ip link add macsec0 link eth1 type macsec


VCAN

与网络loopback设备类似，VCAN(virtual CAN)驱动提供一种虚拟CAN接口叫VCAN。具体参见内核CAN文档


VXCAN

VXCAN可以作为一种本地隧道连接两个VCAN网络设备。与VETH类似，你会创建一个VXCAN对， 用于连接不同namespaces的VCAN。

# ip netns add net1
# ip netns add net2
# ip link add vxcan1 netns net1 type vxcan peer name vxcan2 netns net2