网络虚拟化之linux虚拟网络基础

1 linux虚拟网络基础

1.1 Device

在linux里面devic(设备)与传统网络概念里的物理设备(如交换机、路由器)不同，Linux所说的设备，其背后指的是一个类似于数据结构、内核模块或设备驱动这样的含义。就是说device可能只是软件系统里的一个驱动，一个函数接口。

1.2 Tap

Tap位于二层数据链路层，tun位于三层网络层，两者在linux里的函数结构几乎一致，除了一个flag值区分tap/tun。在linux中二层特指以太网（Ethernet）(传统网络里二层分Ethernet,P2P,HDLC,FR,ATM)，因此有时tap也叫“虚拟以太设备”。有意思的是linux创建tap需要用到tun模块。Linux创建tap/tun都使用tun模块。

1.3 Namespace

Namespace类似传统网络里的VRF，与VRF不同的是：VRF做的是网络层三层隔离。而namespace隔离的更彻底，它做的是整个协议栈的隔离，隔离的资源包括：UTS(UnixTimesharing  System的简称，包含内存名称、版本、 底层体系结构等信息)、IPS(所有与进程间通信（IPC）有关的信息)、mnt(当前装载的文件系统)、PID(有关进程ID的信息)、user(资源配额的信息)、net(网络信息)。

从网络角度看一个namespace提供了一份独立的网络协议栈（网络设备接口、IPv4/v6、IP路由、防火墙规则、sockets等），而一个设备（Linux Device）只能位于一个namespace中，不同namespace中的设备可以利用vethpair进行桥接。

1.4 veth pair

veth pair不是一个设备，而是一对设备，以连接两个虚拟以太端口。操作vethpair，需要跟namespace一起配合，不然就没有意义。如图

1.5 Bridge

在Linux的语境里，Bridge（网桥）与Switch（交换机）是一个概念。因为一对veth pair只能连接两台device，因此如果需要多台设备互联则需要bridge。

如图：4个namespace，每个namespace都有一个tap，每个tap与网桥vb1的tap组成一对veth pair，这样，这4个namespace就可以二层互通了。

1.6 Router

Linux创建Router并没有像创建虚拟Bridge那样，有一个直接的命令brctl，而且它间接的命令也没有，不能创建虚拟路由器……因为它就是路由器（Router) !

如图：我们需要在router(也就是我们的操作系统linux上增加去往各NS的路由)。

1.7 tun

tun是一个网络层(IP)的点对点设备，它启用了IP层隧道功能。Linux原生支持的三层隧道。支持隧道情况：ipip(ipv4 in ipv4)、gre(ipv4/ipv6 over ipv4)、sit(ipv6 over ipv4)、isatap(ipv6/ipv4隧道)、vti(ipsec接口)。

学过传统网络GRE隧道的人更容易理解，如图：

NS1的tun1的ip 10.10.10.1与NS2的tun2的ip 10.10.20.2建立tun

NS1的tun的ip是10.10.10.1，隧道的外层源ip是192.168.1.1，目的ip是192.168.2.1，是不是跟GRE很像。

1.8 iptable

我们通常把iptable说成是linux的防火墙，实际上这种说法并不准确。实际上iptable只是一个运行在用户空间的命令行工具，真正实现防火墙功能的是内核空间的netfilter模块。

这里我们先知道防火墙执行模块netfilter位于内核空间，命令行iptable位于用户空间。我们在通过iptable配置的防火墙策略(包括NAT)会在netfilter执行。

iptables有5个链：PREROUTING,INPUT,FORWARD,OUTPUT,POSTROUTING

l  PREROUTING：报文进入网络接口尚未进入路由之前的时刻；

l  INPUT：路由判断是本机接收的报文，准备从内核空间进入到用户空间的时刻；

l  FORWARD：路由判断不是本机接收的报文，需要路由转发，路由转发的那个时刻；

l  OUTPUT：本机报文需要发出去 经过路由判断选择好端口以后，准备发送的那一刻；

l  POSTROUTING：FORWARD/OUTPUT已经完成，报文即将出网络接口的那一刻。

DNAT用的是PREROUTING，修改的是目的地址，SNAT用的是POSTROUTING,修改的是源地址。

Iptable有5个表:filter,nat,mangle,raw, security，raw表和security表不常用。主流文档都是说5链4表，没有包括security表。

l  Raw表——决定数据包是否被状态跟踪机制处理

l  Mangle表——修改数据包的服务类型、TTL、并且可以配置路由实现QOS

l  Nat表——用于网络地址转换（IP、端口）

l  filter表——过滤数据包

l  security 表（用于强制访问控制网络规则，例如：SELinux）

4个表的优先级由高到低的顺序为:raw-->mangle-->nat-->filter。RAW表,在某个链上,RAW表处理完后,将跳过NAT表和 ip_conntrack处理,即不再做地址转换和数据包的链接跟踪处理了。RAW表可以应用在那些不需要做nat的情况下，以提高性能。如大量访问的web服务器，可以让80端口不再让iptables做数据包的链接跟踪处理，以提高用户的访问速度。

下面讲下数据包流向与处理：

1. 如果是外部访问的目的是本机，比如用户空间部署了WEB服务，外部来访问。数据包从外部进入网卡----->PREROUTING处理----->INPUT处理----->到达用户空间程序接口，程序处理完成后发出----->OUTPUT处理----->POSTROUTING处理。每个处理点都有对应的表，表的处理顺序按照raw-->mangle-->nat-->filter处理。
2. 如果用户访问的目的不是本机，linux只是一个中转(转发)设备，此时需要开启ip forward功能，数据流就是进入网卡-----> PREROUTING处理-----> FORWARD处理-----> POSTROUTING处理。

1.8.2 NAT

Netfilter中的NAT有三个点做处理，

(1)   NAT-PREROUTING (DNAT)

数据报文进入PREROUTING，NAT模块就会处理，比如用户空间的WEB服务私网地址192.168.0.1，对外提供公网ip是220.1.1.1。

当外部ip访问220.1.1.1时，PREROUTING接受数据包，NAT模块处理将目的ip 220.1.1.1转换为私网ip192.168.0.1，这就是DNAT。

(2)   NAT-POSTROUTING (SNAT)

用户空间应用程序访问外部网络，比如用户空间应用程序访问114.114.114.144，私网ip 192.168.0.1，此时数据包流经POSTROUTING，NAT模块会处理，将192.168.0.1转换为220.2.2.2，对于目的ip114.114.114.114来说，就是220.2.2.2访问它，这就是SNAT。

(3)   NAT-OUTPUT (DNAT)

我们把内核空间想象成一台防火墙，防火墙自身对外发送报文访问外部时，就在OUTPUT做DNAT，此时不需要再POSTROUTING点再做NAT。因为此时从OUTPUT出来的源IP已经是公网地址了

1.8.3  Firewall

防火墙根据规则执行accept/reject动作，防火墙规则的元素如下：

入接口、出接口、协议、源地址/子网、目的地址/子网、源端口、目的端口。

Netfilter中的Firewall会在这三个点进行处理：INPUT/FORWARD/OUTPUT

1.8.4 Mangle

mangle表主要用于修改数据包的ToS(  Type of Service，服务类型）、 TTL(Time to Live，生存周期）以及为数据包设置Mark标记，以实现QoS(Qualityof Service，服务质量）调整以及策略路由等应用。Netfilter每个点都可以做mangle。

1.9 总结

tap、tun、vethpair在Linux中都被称为设备，但是在与日常概念的类比中，常常被称作接口。而bridge和router这些日常称为设备的再linux中反而不称为设备。linux利用namespace做隔离，Bridge提供二层转发功能，Router提供三层转发功能。Router还常常借助iptable提供SNAT/DNAT功能。Bridge也常常借助iptable提供Firewall功能。