Docker 网络基础 | 虚拟网络设备对（veth）原理-轻识

在容器化大行其道的今天，Docker 可谓是容器界的宠儿。比起笨重的虚拟机，Docker 可谓是身轻如燕。当然，本文不是介绍虚拟机与 Docker 之间的优缺点，而是介绍 Docker 网络中重要的组成部分之一：

虚拟网络设备对：veth

在介绍 veth 前，我们先来介绍一下 网络命名空间（network namespace）。

网络命名空间

网络命名空间 是 Linux 内核用来隔离不同容器间的网络资源（每个 Docker 容器都拥有一个独立的网络命名空间），网络命名空间主要隔离的资源包括：

iptables规则表
路由规则表
网络设备列表

如下图所示，当系统中拥有 3 个网络命名空间：

由于不同的网络命名空间之间是相互隔离的，所以不同的网络命名空间之间并不能直接通信。比如在 网络命名空间A 配置了一个 IP 地址为 172.17.42.1 的设备，但在 网络命名空间B 里却不能访问，如下图所示：

就好比两台电脑，如果没有任何网线连接，它们之间是不能通信的。所以，Linux 内核提供了 虚拟网络设备对（veth） 这个功能，用于解决不同网络命名空间之间的通信。

虚拟网络设备对（veth）

虚拟网络设备对 用于解决不同网络命名空间之间的通信，可以将其看成是两块有网线连接的网卡。只要将其中一块网卡放置到网络命名空间A，另外一块网卡放置到网络命名空间B，那么两个不同的网络命名空间就能够通信，如下图所示：

如上图所示，veth0 与 veth1 组成一个虚拟网络设备对。虚拟网络设备对 就像管道一样，只要向其中一端发送数据，就可以从另外一端接收到数据。

Docker 就是使用 虚拟网络设备对 来实现不同容器之间的通信，其原理如下图：

从上图可以看出，每个容器之间并不是直接通过 虚拟网络设备对 来进行连接的，而是在主机上创建一个名为 docker0 的 网桥，然后通过 虚拟网络设备对 来将各个容器连接到 网桥 上。网桥 有将多个 网络设备 连接起来的能力，就如现实中的 交换机 一样。

当然，本文的主题是 veth 的实现，而不是 网桥 的现实，所以对 网桥 的介绍就此结束，有兴趣可以参考《Linux网桥工作原理与实现》一文。

虚拟网络设备对实现

在 Linux 内核中，使用 net_device 对象来表示一个网络设备。由于 veth 提供双向通信的功能，所以需要使用两个 net_device 对象来实现。由于 net_device 对象比较庞大，所以这里只列出本文相关的字段：

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

下面介绍一下这两个字段的作用：

name：用来存储设备的名称，如 eth0。
netdev_ops：设备相关的操作接口列表，如初始化设备的接口、关闭设备的接口和发送数据的接口等。

由于 veth 由两个 net_device 对象组成的，所以这两个 net_device 对象应该有指向对方的指针。但通过查阅代码，并没发现有指向对方的指针，那么内核是怎么实现 veth 的呢？

虽然 Linux 内核使用 net_device 对象来表示一个网络设备，但由于不同厂商的网络设备可能存在各种差异，所以为了让 Linux 内核能够适应各种网络设备，故为不同的网络设备提供私有数据的存储空间。

也就是说，一个网络设备除了拥有 net_device 部分外，还有其私有数据部分。不同的网络设备其私有数据部分不同，而网络设备的私有数据部分存一般放在 net_device 对象的结束位置，如下图所示：

上图展示了 PCMCIA网卡 和 RTL-8139网卡 对应的私有数据部分存储的位置，PCMCIA网卡 的私有数据部分对应的是 pcnet_dev_t 结构，而 RTL-8139网卡 的私有数据部分对应的是 rtl8139_private 结构。

回到我们的主题，虚拟网络设备对 的私有数据部分由 veth_priv 结构表示，其定义如下：

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

下面介绍一下 veth_priv 结构各个字段的作用：

peer：由于 虚拟网络设备对 是由一对网络设备组成，所以此字段用于指向设备对的另外一个设备。
stats：用于保存统计信息。

从 veth_priv 结构可以看出，虚拟网络设备对 所属的两个设备对象是由 peer 字段来关联起来的，如下图所示：

1. 创建虚拟网络设备对

当使用 ip 命令创建一对 虚拟网络设备对 时，会触发调用 veth_newlink 函数来完成创建工作，其实现如下：

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];
    ...

    // 由于虚拟网络设备对是由两个网络设备组成,
    // dev 是虚拟网络设备对的其中一个网络设备,
    // 所以需要调用 rtnl_create_link() 函数创建的另外一个网络设备并保存到 peer 变量中.
    peer = rtnl_create_link(dev_net(dev), ifname, &veth_link_ops, tbp);
    ...

    priv = netdev_priv(dev);  // 获取 dev 的私有数据部分
    priv->peer = peer;        // 将其 peer 字段指向 peer

    priv = netdev_priv(peer); // 获取 peer 的私有数据部分
    priv->peer = dev;         // 将其 peer 字段指向 dev

    return 0;
}

上面代码经过精简后，保留了主要逻辑，所以 veth_newlink 主要完成以下工作：

由于虚拟网络设备对是由两个网络设备组成，而 dev 是虚拟网络设备对的其中一个网络设备，所以需要调用 rtnl_create_link 函数创建的另外一个网络设备，并保存到 peer 变量中。
将其 dev 设备对象的 peer 字段指向 peer 设备对象。
将其 peer 设备对象的 peer 字段指向 dev 设备对象。

就这样，一对 虚拟网络设备对 的创建就完成了。

2. 初始化虚拟网络设备对

当然，在创建 虚拟网络设备对 时还需要对其进行初始化，初始化过程由 veth_setup 函数完成，其实现如下：

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 虚拟网络设备对 时，最重要的是设置其操作函数集。而 net_device_ops 结构是网络设备的操作函数集结构，当向设备发送数据时，将会触发调用设备操作函数集的 ndo_start_xmit 方法。

而 veth_setup 函数将此方法设置为 veth_xmit，也就是说，当向 虚拟网络设备对 的其中一端发送数据时，将会调用 veth_xmit 函数来发送数据。

3. 向虚拟网络设备对发送数据

当向 虚拟网络设备对 的其中一端发送数据时，将会调用 veth_xmit 函数来完成发送过程，其实现如下：

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;
    ...

    // 获取发送数据设备的对端设备
    priv = netdev_priv(dev); 
    rcv = priv->peer;
    ...

    skb->tstamp.tv64 = 0;
    skb->pkt_type = PACKET_HOST;
    // 将数据包的接收设备设置为对端设备
    skb->protocol = eth_type_trans(skb, rcv);
    ...

    // 将数据包上送给内核协议栈
    netif_rx(skb);

    return NETDEV_TX_OK;
}

我们先来介绍一下 veth_xmit 函数各个参数的意义：

skb：要发送的数据包对象。
dev：发送数据的设备。

veth_xmit 函数的实现比较简单，主要完成以下工作：

获取发送数据设备的对端设备。
将数据包的接收设备设置为对端设备。
将数据包上送给内核协议栈。

我们通过下图来展示发送数据的过程：

如上图所示，当一个数据包从 虚拟网络设备对 的一端发送出去，会从其另外一端被接收，并上送到内核协议栈处理。

总结

由于 虚拟网络设备对 的出现，解决了容器间的通信问题。而本文主要分析了 虚拟网络设备对 的实现原理，但是有些细节并没有详细分析，如果有不懂的地方可以加我微信一起探讨。