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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「Linux內(nèi)核那些事」，作者songsong001。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系Linux內(nèi)核那些事公眾號。

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：veth

在介紹 veth 前，我們先來介紹一下 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)核用來隔離不同容器間的網(wǎng)絡(luò)資源(每個 Docker 容器都擁有一個獨(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 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，如下圖所示：

就好比兩臺電腦，如果沒有任何網(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(veth) 這個功能，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(veth)

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對 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 組成一個虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對。虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對 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 來實現(xiàn)不同容器之間的通信，其原理如下圖：

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

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

虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對實現(xiàn)

在 Linux 內(nèi)核中，使用 net_device 對象來表示一個網(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 net_device 對象來實現(xiàn)。由于 net_device 對象比較龐大，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字段的作用：

• name：用來存儲設(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 net_device 對象組成的，所以這兩個 net_device 對象應(yīng)該有指向?qū)Ψ降闹羔?。但通過查閱代碼，并沒發(fā)現(xiàn)有指向?qū)Ψ降闹羔?，那么?nèi)核是怎么實現(xiàn) veth 的呢?

雖然 Linux 內(nèi)核使用 net_device 對象來表示一個網(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)的存儲空間。

也就是說，一個網(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 對應(yīng)的私有數(shù)據(jù)部分存儲的位置，PCMCIA網(wǎng)卡 的私有數(shù)據(jù)部分對應(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 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)各個字段的作用：

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

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

1. 創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對

當(dāng)使用 ip 命令創(chuàng)建一對 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對 時，會觸發(fā)調(diào)用 veth_newlink 函數(shù)來完成創(chuàng)建工作，其實現(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)備對是由兩個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成, 
    // dev 是虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對的其中一個網(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)過精簡后，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)備對是由兩個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，而 dev 是虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對的其中一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所以需要調(diào)用 rtnl_create_link 函數(shù)創(chuàng)建的另外一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并保存到 peer 變量中。
• 將其 dev 設(shè)備對象的 peer 字段指向 peer 設(shè)備對象。
• 將其 peer 設(shè)備對象的 peer 字段指向 dev 設(shè)備對象。

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

2. 初始化虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對

當(dāng)然，在創(chuàng)建 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對 時還需要對其進(jìn)行初始化，初始化過程由 veth_setup 函數(shù)完成，其實現(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 時，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，將會觸發(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，當(dāng)向 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對 的其中一端發(fā)送數(shù)據(jù)時，將會調(diào)用 veth_xmit 函數(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)。

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

當(dāng)向 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對 的其中一端發(fā)送數(shù)據(jù)時，將會調(diào)用 veth_xmit 函數(shù)來完成發(fā)送過程，其實現(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; 
} 

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

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

veth_xmit 函數(shù)的實現(xiàn)比較簡單，主要完成以下工作：

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

我們通過下圖來展示發(fā)送數(shù)據(jù)的過程：

如上圖所示，當(dāng)一個數(shù)據(jù)包從 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對 的一端發(fā)送出去，會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 的出現(xiàn)，解決了容器間的通信問題。而本文主要分析了 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對 的實現(xiàn)原理，但是有些細(xì)節(jié)并沒有詳細(xì)分析，如果有不懂的地方可以加我微信一起探討。