Linux 虚拟网络设备详解之 Bridge 网桥

前面几篇文章介绍了 tap/tun、veth-pair,今天这篇来看看 Bridge。

Bridge 是什么

同 tap/tun、veth-pair 一样,Bridge 也是一种虚拟网络设备,所以具备虚拟网络设备的所有特性,比如可以配置 IP、MAC 等。

除此之外,Bridge 还是一个交换机,具有交换机所有的功能。

对于普通的网络设备,就像一个管道,只有两端,数据从一端进,从另一端出。而 Bridge 有多个端口,数据可以从多个端口进,从多个端口出。

Bridge 的这个特性让它可以接入其他的网络设备,比如物理设备、虚拟设备、VLAN 设备等。Bridge 通常充当主设备,其他设备为从设备,这样的效果就等同于物理交换机的端口连接了一根网线。比如下面这幅图通过 Bridge 连接两个 VM 的 tap 虚拟网卡和物理网卡 eth0。

VM 同主机通信

以这个图来简单说明下,借助 Bridge 来完成同主机两台 VM 的之间的通信流程。

首先准备一个 centos 或 ubuntu 虚拟机,然后创建一个 bridge:

ip link add br0 type bridge
ip link set br0 up

然后通过 virt-manager 创建两个 kvm 虚拟机:kvm1 和 kvm2(前提得支持嵌套虚拟化),将它们的 vNIC 挂到 br0 上,如下图:

kvm 虚机会使用 tap 设备作为它的虚拟网卡,我们验证下:

# ps -ef | grep kvm1
libvirt+      3549     1  87 ?        00:22:09 qemu-system-x86_64 -enable-kvm -name kvm1 ... -netdev tap,fd=26,id=hostnet0,vhost=on,vhostfd=28 ...

可以看到,其中网络部分参数,-netdev tap,fd=26 表示的就是连接主机上的 tap 设备。

创建的 fd=26 为读写 /dev/net/tun 的文件描述符。

使用 lsof -p 3549 验证下:

# lsof -p 3549
COMMAND    PID USER   FD      TYPE             DEVICE    SIZE/OFF     NODE NAME
...
qemu-system 3549  libvirt-qemu   26u      CHR             10,200         0t107    135 /dev/net/tun
...

可以看到,PID 为 3549 的进程打开了文件 /dev/net/tun,分配的文件描述符 fd 为 26。

因此,我们可以得出以下结论:在 kvm 虚机启动时,会向内核注册 tap 虚拟网卡,同时打开设备文件 /dev/net/tun,拿到文件描述符 fd,然后将 fd 和 tap 关联,tap 就成了一端连接着用户空间的 qemu-kvm,一端连着主机上的 bridge 的端口,促使两者完成通信。

下面分别给两虚机配上 IP:10.1.1.2/2410.1.1.3/24,ping 一下:

在 bridge 上抓个包看看:

可以看到,br0 上抓到 ping 的 ICMP echo 包和 ARP 包。

Bridge 常用使用场景

Bridge 设备通常就是结合 tap/tun、veth-pair 设备用于虚拟机、容器网络里面。这两种网络,在数据传输流程上还有些许不同,我们简单来看下:

首先是虚拟机网络,虚拟机一般通过 tap/tun 设备将虚拟机网卡同宿主机里的 Bridge 连接起来,完成同主机和跨主机的通信。如下图所示:

【图片来源于网络,侵权必删】

虚拟机发出的数据包通过 tap 设备先到达 br0,然后经过 eth0 发送到物理网络中,数据包不需要经过主机的的协议栈,效率是比较高的。

其次是容器网络(容器网络有多种引申的形式,这里我们只说 Bridge 网络),容器网络和虚拟机网络类似,不过一般是使用 veth-pair 来连接容器和主机,因为在主机看来,容器就是一个个被隔离的 namespace,用 veth-pair 更有优势。如下图所示:

【图片来源于网络,侵权必删】

容器的 Bridge 网络通常配置成内网形式,要出外网需要走 NAT,所以它的数据传输不像虚拟机的桥接形式可以直接跨过协议栈,而是必须经过协议栈,通过 NAT 和 ip_forward 功能从物理网卡转发出去,因此,从性能上看,Bridge 网络虚拟机要优于容器。

总结

Linux Bridge 是虚拟交换机,功能和物理交换机一样,用于连接虚拟机和容器。

虚拟机网络和容器网络的区别。

Bridge 是偏低级的工具,更高级的工具是 Open vSwitch,这个工具后面再详说。

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