轻松理解 Docker 网络虚拟化基础之 veth 设备！
大家好，我是飞哥！
正如我在朋友圈里所说的，最近我又对网络虚拟化技术产生了浓厚的兴趣。迫切想搞明白在 Docker 等虚拟技术下，网络底层是如何运行的。
不得不说，网络虚拟化技术是我给自己抛的又一个大坑。虽然我自认为把原生 Linux 网络实现过程理解的还算不错了。但在看网络虚拟化相关的技术的时候，还是觉得不是很容易。
不过，飞哥有绝招，那就是先挑个软柿子来捏。这不，今天我给大家带来的就是 Docker 网络虚拟化中的一个比较好理解的技术 - veth。
那么，网络虚拟化实现的第一步，就是用软件来模拟这个简单的网络连接实现过程。实现的技术就是我们今天的主角 veth，它模拟了在物理世界里的两块网卡，以及一条网线。通过它可以将两个虚拟的设备连接起来，让他们之间相互通信。平时工作中在 Docker 镜像里我们看到的 eth0 设备，其实就是 veth。
我们今天就来深入地看看 veth 这个东东是咋工作的。
一、veth 如何使用
不像回环设备，绝大多数同学在日常工作中可能都没接触过 veth。所以本文咱们专门拉一小节出来介绍 veth 是如何使用的。
在 Linux 下，我们可以通过使用 ip 命令创建一对儿 veth。其中 link 表示 link layer的意思，即链路层。这个命令可以用于管理和查看网络接口，包括物理网络接口，也包括虚拟接口。
# ip link add veth0 type veth peer name veth1
使用 ip link show 来进行查看。
# ip link add veth0 type veth peer name veth1
# ip link show
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP mode DEFAULT qlen 1000
link/ether 6c:0b:84:d5:88:d1 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: eth1: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
link/ether 6c:0b:84:d5:88:d2 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
4: veth1@veth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
link/ether 4e:ac:33:e5:eb:16 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
5: veth0@veth1: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
link/ether 2a:6d:65:74:30:fb brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
和 eth0、lo 等网络设备一样，veth 也需要为其配置上 ip 后才能够正常工作。我们为这对儿 veth 分别来配置上 IP。
# ip addr add 192.168.1.1/24 dev veth0
# ip addr add 192.168.1.2/24 dev veth1
接下来，我们把这两个设备启动起来。
# ip link set veth0 up
# ip link set veth1 up
当设备启动起来以后，我们通过我们熟悉的 ifconfig 就可以查看到它们了。
# ifconfig
eth0: ......
lo: ......
veth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1500
inet 192.168.1.1 netmask 255.255.255.0 broadcast 0.0.0.0
......
veth1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1500
inet 192.168.1.2 netmask 255.255.255.0 broadcast 0.0.0.0
......
现在，一对儿虚拟设备已经建立起来了。不过我们需要做一点准备工作，它们之间才可以进行互相通信。首先要关闭反向过滤 rp_filter，该模块会检查 IP 包是否符合要求，否则可能会过滤掉。然后再打开 accept_local，接收本机 IP 数据包。详细准备过程如下：
# 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
# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth1/accept_local
# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth0/accept_local
好了，我们在 veth0 上来 ping 一下 veth1。这两个 veth 之间可以通信了，欧耶！
# ping 192.168.1.2 -I veth0
PING 192.168.1.2 (192.168.1.2) from 192.168.1.1 veth0: 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.019 ms
64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.010 ms
64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.010 ms
...
我在另外一个控制台上，还启动了 tcpdump 抓包，抓到的结果如下。
# tcpdump -i veth0
09:59:39.449247 ARP, Request who-has *** tell ***, length 28
09:59:39.449259 ARP, Reply *** is-at 4e:ac:33:e5:eb:16 (oui Unknown), length 28
09:59:39.449262 IP *** > ***: ICMP echo request, id 15841, seq 1, length 64
09:59:40.448689 IP *** > ***: ICMP echo request, id 15841, seq 2, length 64
09:59:41.448684 IP *** > ***: ICMP echo request, id 15841, seq 3, length 64
09:59:42.448687 IP *** > ***: ICMP echo request, id 15841, seq 4, length 64
09:59:43.448686 IP *** > ***: ICMP echo request, id 15841, seq 5, length 64
由于两个设备之间是首次通信的，所以 veth0 首先先发出了一个 arp request，veth1 收到后回复了一个 arp reply。然后接下来就是正常的 ping 命令下的 IP 包了。
二、veth 底层创建过程
在上一小节中，我们亲手创建了一对儿 veth 设备，并通过简单的配置就可以让他们之间互相进行通信了。那么在本小节中，我们看看在内核里，veth 到底是如何创建的。
Veth 相关源码位于 drivers/net/veth.c，其中初始化入口是 veth_init。
//file: drivers/net/veth.c
static __init int veth_init(void)
{
return rtnl_link_register(&veth_link_ops);
}
在 veth_init 中注册了 veth_link_ops（veth 设备的操作方法），它包含了 veth 设备的创建、启动和删除等回调函数。
//file: drivers/net/veth.c
static struct rtnl_link_ops veth_link_ops = {
.kind = DRV_NAME,
.priv_size = sizeof(struct veth_priv),
.setup = veth_setup,
.validate = veth_validate,
.newlink = veth_newlink,
.dellink = veth_dellink,
.policy = veth_policy,
.maxtype = VETH_INFO_MAX,
};
我们先来看下 veth 设备的创建函数 veth_newlink，这是理解 veth 的关键之处。
//file: drivers/net/veth.c
static int veth_newlink(struct net *src_net, struct net_device *dev,
struct nlattr *tb[], struct nlattr *data[])
{
...
//创建
peer = rtnl_create_link(net, ifname, &veth_link_ops, tbp);
//注册
err = register_netdevice(peer);
err = register_netdevice(dev);
...
//把两个设备关联到一起
priv = netdev_priv(dev);
rcu_assign_pointer(priv->peer, peer);
priv = netdev_priv(peer);
rcu_assign_pointer(priv->peer, dev);
}
在 veth_newlink 中，我们看到它通过 register_netdevice 创建了 peer 和 dev 两个网络虚拟设备。接下来的 netdev_priv 函数返回的是网络设备的 private 数据，priv->peer 就是一个指针而已。
//file: drivers/net/veth.c
struct veth_priv {
struct net_device __rcu *peer;
atomic64_t dropped;
};
两个新创建出来的设备 dev 和 peer 通过 priv->peer 指针来完成结对。其中 dev 设备里的 priv->peer 指针指向 peer 设备， peer 设备里的 priv->peer 指向 dev。
接着我们再看下 veth 设备的启动过程。
//file: drivers/net/veth.c
static void veth_setup(struct net_device *dev)
{
//veth的操作列表，其中包括veth的发送函数veth_xmit
dev->netdev_ops = &veth_netdev_ops;
dev->ethtool_ops = &veth_ethtool_ops;
......
}
其中 dev->netdev_ops = &veth_netdev_ops 这行也比较关键。veth_netdev_ops 是 veth 设备的操作函数。例如发送过程中调用的函数指针 ndo_start_xmit，对于 veth 设备来说就会调用到 veth_xmit。这个在下一个小节里我们会用到。
//file: drivers/net/veth.c
static const struct net_device_ops veth_netdev_ops = {
.ndo_init = veth_dev_init,
.ndo_open = veth_open,
.ndo_stop = veth_close,
.ndo_start_xmit = veth_xmit,
.ndo_change_mtu = veth_change_mtu,
.ndo_get_stats64 = veth_get_stats64,
.ndo_set_mac_address = eth_mac_addr,
};
三、veth 网络通信过程
在 《25 张图，一万字，拆解 Linux 网络包发送过程》和《图解Linux网络包接收过程》两篇文章中，我们系统介绍了 Linux 网络包的收发过程。在《127.0.0.1 之本机网络通信过程知多少 ?》中我们又详细讨论了基于回环设备 lo 的本机网络 IO 过程。
我们回顾一下基于回环设备 lo 的本机网络过程。在发送阶段里，流程分别是 send 系统调用 => 协议栈 => 邻居子系统 => 网络设备层 => 驱动。在接收阶段里，流程分别是软中断 => 驱动 => 网络设备层 => 协议栈 => 系统调用返回。过程图示如下：
基于 veth 的网络 IO 过程和上面这个过程图几乎完全一样。和 lo 设备所不同的就是使用的驱动程序不一样，马上我们就能看到。
网络设备层最后会通过 ops->ndo_start_xmit 来调用驱动进行真正的发送。
//file: net/core/dev.c
int dev_hard_start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev,
struct netdev_queue *txq)
{
//获取设备驱动的回调函数集合 ops
const struct net_device_ops *ops = dev->netdev_ops;
//调用驱动的 ndo_start_xmit 来进行发送
rc = ops->ndo_start_xmit(skb, dev);
...
}
在《127.0.0.1 之本机网络通信过程知多少 ?》一文中，我们提到过对于回环设备 lo 来说 netdev_ops 是 loopback_ops。那么 ops->ndo_start_xmit 对应的就是 loopback_xmit。
//file:drivers/net/loopback.c
static const struct net_device_ops loopback_ops = {
.ndo_init = loopback_dev_init,
.ndo_start_xmit= loopback_xmit,
.ndo_get_stats64 = loopback_get_stats64,
};
回顾本文上一小节中，对于 veth 设备来说，它在启动的时候将 netdev_ops 设置成了 veth_netdev_ops。那 ops->ndo_start_xmit 对应的具体发送函数就是 veth_xmit。这就是在整个发送的过程中，唯一和 lo 设备不同的地方所在。我们来简单看一下这个发送函数的代码。
//file: drivers/net/veth.c
static netdev_tx_t veth_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
struct veth_priv *priv = netdev_priv(dev);
struct net_device *rcv;
//获取 veth 设备的对端
rcv = rcu_dereference(priv->peer);
//调用 dev_forward_skb 向对端发包
if (likely(dev_forward_skb(rcv, skb) == NET_RX_SUCCESS)) {
}
在 veth_xmit 中主要就是获取一下当前 veth 设备，然后向对端把数据发送过去就行了。发送到对端设备的工作是由 dev_forward_skb 函数来处理的。
//file: net/core/dev.c
int dev_forward_skb(struct net_device *dev, struct sk_buff *skb)
{
skb->protocol = eth_type_trans(skb, dev);
...
return netif_rx(skb);
}
先调用了 eth_type_trans 将 skb 的所属设备改为了刚刚取到的 veth 的对端设备 rcv。
//file: net/ethernet/eth.c
__be16 eth_type_trans(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
skb->dev = dev;
...
}
接着调用 netif_rx，这块又和 lo 设备的操作一样了。在该方法中最终会执行到 enqueue_to_backlog 中（netif_rx -> netif_rx_internal -> enqueue_to_backlog）。在这里将要发送的 skb 插入 softnet_data->input_pkt_queue 队列中并调用 ____napi_schedule 来触发软中断，见下面的代码。
//file: net/core/dev.c
static int enqueue_to_backlog(struct sk_buff *skb, int cpu,
unsigned int *qtail)
{
sd = &per_cpu(softnet_data, cpu);
__skb_queue_tail(&sd->input_pkt_queue, skb);
...
____napi_schedule(sd, &sd->backlog);
}
//file:net/core/dev.c
static inline void ____napi_schedule(struct softnet_data *sd,
struct napi_struct *napi)
{
list_add_tail(&napi->poll_list, &sd->poll_list);
__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
}
当数据发送完唤起软中断后，veth 对端的设备开始接收。和发送过程不同的是，所有的虚拟设备的收包 poll 函数都是一样的，都是在设备层被初始化成了 process_backlog。
//file:net/core/dev.c
static int __init net_dev_init(void)
{
for_each_possible_cpu(i) {
sd->backlog.poll = process_backlog;
}
}
所以 veth 设备的接收过程和 lo 设备完全一样。想再看看这块过程的同学就请参考《127.0.0.1 之本机网络通信过程知多少 ?》一文中的第三节吧。大致流程是 net_rx_action 执行到 deliver_skb，然后送到协议栈中。
|--->net_rx_action()
|--->process_backlog()
|--->__netif_receive_skb()
|--->__netif_receive_skb_core()
|---> deliver_skb
总结
由于大部分的同学在日常工作中一般不会接触到 veth，所以在看到 Docker 相关的技术文中提到这个技术时总会以为它是多么的高深。
其实从实现上来看，虚拟设备 veth 和我们日常接触的 lo 设备非常非常的像。连基于 veth 的本机网络 IO 通信图其实都是我直接从 127.0.0.1 的那篇文章里复制过来的。只要你看过飞哥的127.0.0.1 之本机网络通信过程知多少 ?！这篇，理解起来 veth 简直不要太容易。怎么样，是不是 So easy!