Docker 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) | 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)（veth）原理

在容器化大行其道的今天，Docker 可謂是容器界的寵兒。比起笨重的虛擬機(jī)，Docker 可謂是身輕如燕。當(dāng)然，本文不是介紹虛擬機(jī)與 Docker 之間的優(yōu)缺點(diǎn)，而是介紹 Docker 網(wǎng)絡(luò)中重要的組成部分之一：

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)：veth

在介紹 veth 前，我們先來(lái)介紹一下 網(wǎng)絡(luò)命名空間（network namespace）。

網(wǎng)絡(luò)命名空間

網(wǎng)絡(luò)命名空間 是 Linux 內(nèi)核用來(lái)隔離不同容器間的網(wǎng)絡(luò)資源（每個(gè) Docker 容器都擁有一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)命名空間），網(wǎng)絡(luò)命名空間主要隔離的資源包括：

• iptables規(guī)則表
• 路由規(guī)則表
• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備列表

如下圖所示，當(dāng)系統(tǒng)中擁有 3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)命名空間：

由于不同的網(wǎng)絡(luò)命名空間之間是相互隔離的，所以不同的網(wǎng)絡(luò)命名空間之間并不能直接通信。比如在 網(wǎng)絡(luò)命名空間A 配置了一個(gè) IP 地址為 172.17.42.1 的設(shè)備，但在 網(wǎng)絡(luò)命名空間B 里卻不能訪問(wèn)，如下圖所示：

就好比兩臺(tái)電腦，如果沒(méi)有任何網(wǎng)線連接，它們之間是不能通信的。所以，Linux 內(nèi)核提供了 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)（veth） 這個(gè)功能，用于解決不同網(wǎng)絡(luò)命名空間之間的通信。

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)（veth）

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 用于解決不同網(wǎng)絡(luò)命名空間之間的通信，可以將其看成是兩塊有網(wǎng)線連接的網(wǎng)卡。只要將其中一塊網(wǎng)卡放置到網(wǎng)絡(luò)命名空間A，另外一塊網(wǎng)卡放置到網(wǎng)絡(luò)命名空間B，那么兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)命名空間就能夠通信，如下圖所示：

如上圖所示，veth0 與 veth1 組成一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)。虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 就像管道一樣，只要向其中一端發(fā)送數(shù)據(jù)，就可以從另外一端接收到數(shù)據(jù)。

Docker 就是使用 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 來(lái)實(shí)現(xiàn)不同容器之間的通信，其原理如下圖：

從上圖可以看出，每個(gè)容器之間并不是直接通過(guò) 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 來(lái)進(jìn)行連接的，而是在主機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)名為 docker0 的 網(wǎng)橋，然后通過(guò) 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 來(lái)將各個(gè)容器連接到 網(wǎng)橋 上。網(wǎng)橋 有將多個(gè) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 連接起來(lái)的能力，就如現(xiàn)實(shí)中的 交換機(jī) 一樣。

當(dāng)然，本文的主題是 veth 的實(shí)現(xiàn)，而不是 網(wǎng)橋 的現(xiàn)實(shí)，所以對(duì) 網(wǎng)橋 的介紹就此結(jié)束，有興趣可以參考《Linux網(wǎng)橋工作原理與實(shí)現(xiàn)》一文。

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)實(shí)現(xiàn)

在 Linux 內(nèi)核中，使用 net_device 對(duì)象來(lái)表示一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。由于 veth 提供雙向通信的功能，所以需要使用兩個(gè) net_device 對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于 net_device 對(duì)象比較龐大，所以這里只列出本文相關(guān)的字段：

struct net_device
{
    char name[IFNAMSIZ];
    ...
    const struct net_device_ops *netdev_ops;
    ...
}

下面介紹一下這兩個(gè)字段的作用：

• name：用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)備的名稱，如 eth0。
• netdev_ops：設(shè)備相關(guān)的操作接口列表，如初始化設(shè)備的接口、關(guān)閉設(shè)備的接口和發(fā)送數(shù)據(jù)的接口等。

由于 veth 由兩個(gè) net_device 對(duì)象組成的，所以這兩個(gè) net_device 對(duì)象應(yīng)該有指向?qū)Ψ降闹羔槨５ㄟ^(guò)查閱代碼，并沒(méi)發(fā)現(xiàn)有指向?qū)Ψ降闹羔槪敲磧?nèi)核是怎么實(shí)現(xiàn) veth 的呢？

雖然 Linux 內(nèi)核使用 net_device 對(duì)象來(lái)表示一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但由于不同廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可能存在各種差異，所以為了讓 Linux 內(nèi)核能夠適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，故為不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供私有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。

也就是說(shuō)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備除了擁有 net_device 部分外，還有其私有數(shù)據(jù)部分。不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備其私有數(shù)據(jù)部分不同，而網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的私有數(shù)據(jù)部分存一般放在 net_device 對(duì)象的結(jié)束位置，如下圖所示：

上圖展示了 PCMCIA網(wǎng)卡 和 RTL-8139網(wǎng)卡 對(duì)應(yīng)的私有數(shù)據(jù)部分存儲(chǔ)的位置，PCMCIA網(wǎng)卡 的私有數(shù)據(jù)部分對(duì)應(yīng)的是 pcnet_dev_t 結(jié)構(gòu)，而 RTL-8139網(wǎng)卡 的私有數(shù)據(jù)部分對(duì)應(yīng)的是 rtl8139_private 結(jié)構(gòu)。

回到我們的主題，虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 的私有數(shù)據(jù)部分由 veth_priv 結(jié)構(gòu)表示，其定義如下：

struct veth_priv {
    struct net_device *peer;
    struct veth_net_stats *stats;
    ...
};

下面介紹一下 veth_priv 結(jié)構(gòu)各個(gè)字段的作用：

• peer：由于 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 是由一對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，所以此字段用于指向設(shè)備對(duì)的另外一個(gè)設(shè)備。
• stats：用于保存統(tǒng)計(jì)信息。

從 veth_priv 結(jié)構(gòu)可以看出，虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 所屬的兩個(gè)設(shè)備對(duì)象是由 peer 字段來(lái)關(guān)聯(lián)起來(lái)的，如下圖所示：

1. 創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)

當(dāng)使用 ip 命令創(chuàng)建一對(duì) 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 時(shí)，會(huì)觸發(fā)調(diào)用 veth_newlink 函數(shù)來(lái)完成創(chuàng)建工作，其實(shí)現(xiàn)如下：

static int
veth_newlink(struct net_device *dev, struct nlattr *tb[], struct nlattr *data[])
{
    int err;
    struct net_device *peer;
    struct veth_priv *priv;
    char ifname[IFNAMSIZ];
    ...

    // 由于虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)是由兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成,
    // dev 是虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)的其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,
    // 所以需要調(diào)用 rtnl_create_link() 函數(shù)創(chuàng)建的另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并保存到 peer 變量中.
    peer = rtnl_create_link(dev_net(dev), ifname, &veth_link_ops, tbp);
    ...

    priv = netdev_priv(dev);  // 獲取 dev 的私有數(shù)據(jù)部分
    priv->peer = peer;        // 將其 peer 字段指向 peer

    priv = netdev_priv(peer); // 獲取 peer 的私有數(shù)據(jù)部分
    priv->peer = dev;         // 將其 peer 字段指向 dev

    return 0;
}

上面代碼經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)后，保留了主要邏輯，所以 veth_newlink 主要完成以下工作：

• 由于虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)是由兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，而 dev 是虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)的其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所以需要調(diào)用 rtnl_create_link 函數(shù)創(chuàng)建的另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并保存到 peer 變量中。
• 將其 dev 設(shè)備對(duì)象的 peer 字段指向 peer 設(shè)備對(duì)象。
• 將其 peer 設(shè)備對(duì)象的 peer 字段指向 dev 設(shè)備對(duì)象。

就這樣，一對(duì) 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 的創(chuàng)建就完成了。

2. 初始化虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)

當(dāng)然，在創(chuàng)建 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 時(shí)還需要對(duì)其進(jìn)行初始化，初始化過(guò)程由 veth_setup 函數(shù)完成，其實(shí)現(xiàn)如下：

static const struct net_device_ops veth_netdev_ops = {
    ...
    .ndo_start_xmit = veth_xmit,
    ...
};

static void veth_setup(struct net_device *dev)
{
    ...
    dev->netdev_ops = &veth_netdev_ops;
    ...
}

在初始化 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 時(shí)，最重要的是設(shè)置其操作函數(shù)集。而 net_device_ops 結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作函數(shù)集結(jié)構(gòu)，當(dāng)向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)觸發(fā)調(diào)用設(shè)備操作函數(shù)集的 ndo_start_xmit 方法。

而 veth_setup 函數(shù)將此方法設(shè)置為 veth_xmit，也就是說(shuō)，當(dāng)向 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 的其中一端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)調(diào)用 veth_xmit 函數(shù)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3. 向虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)向 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 的其中一端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)調(diào)用 veth_xmit 函數(shù)來(lái)完成發(fā)送過(guò)程，其實(shí)現(xiàn)如下：

static netdev_tx_t veth_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
    struct net_device *rcv = NULL;
    struct veth_priv *priv, *rcv_priv;
    ...

    // 獲取發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)備的對(duì)端設(shè)備
    priv = netdev_priv(dev); 
    rcv = priv->peer;
    ...

    skb->tstamp.tv64 = 0;
    skb->pkt_type = PACKET_HOST;
    // 將數(shù)據(jù)包的接收設(shè)備設(shè)置為對(duì)端設(shè)備
    skb->protocol = eth_type_trans(skb, rcv);
    ...

    // 將數(shù)據(jù)包上送給內(nèi)核協(xié)議棧
    netif_rx(skb);

    return NETDEV_TX_OK;
}

我們先來(lái)介紹一下 veth_xmit 函數(shù)各個(gè)參數(shù)的意義：

• skb：要發(fā)送的數(shù)據(jù)包對(duì)象。
• dev：發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備。

veth_xmit 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，主要完成以下工作：

• 獲取發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)備的對(duì)端設(shè)備。
• 將數(shù)據(jù)包的接收設(shè)備設(shè)置為對(duì)端設(shè)備。
• 將數(shù)據(jù)包上送給內(nèi)核協(xié)議棧。

我們通過(guò)下圖來(lái)展示發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程：

如上圖所示，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包從 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 的一端發(fā)送出去，會(huì)從其另外一端被接收，并上送到內(nèi)核協(xié)議棧處理。

總結(jié)

由于 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 的出現(xiàn)，解決了容器間的通信問(wèn)題。而本文主要分析了 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì) 的實(shí)現(xiàn)原理，但是有些細(xì)節(jié)并沒(méi)有詳細(xì)分析，如果有不懂的地方可以加我微信一起探討。