Linux 虚拟网络设备 veth-pair 详解，看这一篇就够了
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前面这篇文章介绍了 tap/tun 设备之后，大家应该对虚拟网络设备有了一定的了解，本文来看另外一种虚拟网络设备 veth-pair。
01 veth-pair 是什么
顾名思义，veth-pair 就是一对的虚拟设备接口，和 tap/tun 设备不同的是，它都是成对出现的。一端连着协议栈，一端彼此相连着。如下图所示：
正因为有这个特性，它常常充当着一个桥梁，连接着各种虚拟网络设备，典型的例子像“两个 namespace 之间的连接”，“Bridge、OVS 之间的连接”，“Docker 容器之间的连接” 等等，以此构建出非常复杂的虚拟网络结构，比如 OpenStack Neutron。
02 veth-pair 的连通性
我们给上图中的 veth0 和 veth1 分别配上 IP：10.1.1.2 和 10.1.1.3，然后从 veth0 ping 一下 veth1。理论上它们处于同网段，是能 ping 通的，但结果却是 ping 不通。
抓个包看看，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，由于 veth0 和 veth1 处于同一个网段，且是第一次连接，所以会事先发 ARP 包，但 veth1 并没有响应 ARP 包。
经查阅，这是由于我使用的 Ubuntu 系统内核中一些 ARP 相关的默认配置限制所导致的，需要修改一下配置项：
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
我们对这个通信过程比较感兴趣，可以抓包看看。
对于 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
对于 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，我们并没有看到 ICMP 的 echo reply 包，那它是怎么 ping 通的？
其实这里 echo reply 走的是 localback 口，不信抓个包看看：
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
为什么？
我们看下整个通信流程就明白了。
- 首先 ping 程序构造 ICMP
echo request，通过 socket 发给协议栈。 - 由于 ping 指定了走 veth0 口，如果是第一次，则需要发 ARP 请求，否则协议栈直接将数据包交给 veth0。
- 由于 veth0 连着 veth1，所以 ICMP request 直接发给 veth1。
- veth1 收到请求后，交给另一端的协议栈。
- 协议栈看本地有 10.1.1.3 这个 IP，于是构造 ICMP reply 包，查看路由表，发现回给 10.1.1.0 网段的数据包应该走 localback 口，于是将 reply 包交给 lo 口（会优先查看路由表的 0 号表，
ip route show table 0查看）。 - lo 收到协议栈的 reply 包后，啥都没干，转手又回给协议栈。
- 协议栈收到 reply 包之后，发现有 socket 在等待包，于是将包给 socket。
- 等待在用户态的 ping 程序发现 socket 返回，于是就收到 ICMP 的 reply 包。
整个过程如下图所示：
03 两个 namespace 之间的连通性
namespace 是 Linux 2.6.x 内核版本之后支持的特性，主要用于资源的隔离。有了 namespace，一个 Linux 系统就可以抽象出多个网络子系统，各子系统间都有自己的网络设备，协议栈等，彼此之间互不影响。
如果各个 namespace 之间需要通信，怎么办呢，答案就是用 veth-pair 来做桥梁。
根据连接的方式和规模，可以分为“直接相连”，“通过 Bridge 相连” 和 “通过 OVS 相连”。
3.1 直接相连
直接相连是最简单的方式，如下图，一对 veth-pair 直接将两个 namespace 连接在一起。
给 veth-pair 配置 IP，测试连通性：
# 创建 namespace
ip netns a ns1
ip netns a ns2
# 创建一对 veth-pair veth0 veth1
ip l a veth0 type veth peer name veth1
# 将 veth0 veth1 分别加入两个 ns
ip l s veth0 netns ns1
ip l s veth1 netns ns2
# 给两个 veth0 veth1 配上 IP 并启用
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
# 从 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 通过 Bridge 相连
Linux Bridge 相当于一台交换机，可以中转两个 namespace 的流量，我们看看 veth-pair 在其中扮演什么角色。
如下图，两对 veth-pair 分别将两个 namespace 连到 Bridge 上。
同样给 veth-pair 配置 IP，测试其连通性：
# 首先创建 bridge br0
ip l a br0 type bridge
ip l s br0 up
# 然后创建两对 veth-pair
ip l a veth0 type veth peer name br-veth0
ip l a veth1 type veth peer name br-veth1
# 分别将两对 veth-pair 加入两个 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
# 给两个 ns 中的 veth 配置 IP 并启用
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 通过 OVS 相连
OVS 是第三方开源的 Bridge，功能比 Linux Bridge 要更强大，对于同样的实验，我们用 OVS 来看看是什么效果。
如下图所示：
同样测试两个 namespace 之间的连通性：
# 用 ovs 提供的命令创建一个 ovs bridge
ovs-vsctl add-br ovs-br
# 创建两对 veth-pair
ip l a veth0 type veth peer name ovs-veth0
ip l a veth1 type veth peer name ovs-veth1
# 将 veth-pair 两端分别加入到 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
# 给 ns 中的 veth 配置 IP 并启用
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
总结
veth-pair 在虚拟网络中充当着桥梁的角色，连接多种网络设备构成复杂的网络。
veth-pair 的三个经典实验，直接相连、通过 Bridge 相连和通过 OVS 相连。
参考
http://www.opencloudblog.com/?p=66
https://segmentfault.com/a/1190000009251098
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