Linux虚拟网络设备之veth

有了上一篇关于tun/tap的介绍之后，大家应该对虚拟网络设备有了一定的了解，本篇将接着介绍另一种虚拟网络设备veth。

veth设备的特点

• veth和其它的网络设备都一样，一端连接的是内核协议栈。
• veth设备是成对出现的，另一端两个设备彼此相连
• 一个设备收到协议栈的数据发送请求后，会将数据发送到另一个设备上去。

下面这张关系图很清楚的说明了veth设备的特点：

+----------------------------------------------------------------+
|                                                                |
|       +------------------------------------------------+       |
|       |             Newwork Protocol Stack             |       |
|       +------------------------------------------------+       |
|              ↑               ↑               ↑                 |
|..............|...............|...............|.................|
|              ↓               ↓               ↓                 |
|        +----------+    +-----------+   +-----------+           |
|        |   eth0   |    |   veth0   |   |   veth1   |           |
|        +----------+    +-----------+   +-----------+           |
|192.168.1.11  ↑               ↑               ↑                 |
|              |               +---------------+                 |
|              |         192.168.2.11     192.168.2.1            |
+--------------|-------------------------------------------------+
               ↓
         Physical Network

上图中，我们给物理网卡eth0配置的IP为192.168.1.11， 而veth0和veth1的IP分别是192.168.2.11和192.168.2.1。

示例

我们通过示例的方式来一步一步的看看veth设备的特点。

只给一个veth设备配置IP

先通过ip link命令添加veth0和veth1，然后配置veth0的IP，并将两个设备都启动起来

dev@debian:~$ sudo ip link add veth0 type veth peer name veth1
dev@debian:~$ sudo ip addr add 192.168.2.11/24 dev veth0
dev@debian:~$ sudo ip link set veth0 up
dev@debian:~$ sudo ip link set veth1 up

这里不给veth1设备配置IP的原因就是想看看在veth1没有IP的情况下，veth0收到协议栈的数据后会不会转发给veth1。

ping一下192.168.2.1，由于veth1还没配置IP，所以肯定不通

dev@debian:~$ ping -c 4 192.168.2.1
PING 192.168.2.1 (192.168.2.1) 56(84) bytes of data.
From 192.168.2.11 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
From 192.168.2.11 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable
From 192.168.2.11 icmp_seq=3 Destination Host Unreachable
From 192.168.2.11 icmp_seq=4 Destination Host Unreachable

--- 192.168.2.1 ping statistics ---
4 packets transmitted, 0 received, +4 errors, 100% packet loss, time 3015ms
pipe 3

但为什么ping不通呢？是到哪一步失败的呢？

先看看抓包的情况，从下面的输出可以看出，veth0和veth1收到了同样的ARP请求包，但没有看到ARP应答包：

dev@debian:~$ sudo tcpdump -n -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
20:20:18.285230 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:19.282018 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:20.282038 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:21.300320 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:22.298783 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:23.298923 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28

dev@debian:~$ sudo tcpdump -n -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
20:20:48.570459 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:49.570012 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:50.570023 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:51.570023 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:52.569988 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28
20:20:53.570833 ARP, Request who-has 192.168.2.1 tell 192.168.2.11, length 28

为什么会这样呢？了解ping背后发生的事情后就明白了：

1. ping进程构造ICMP echo请求包，并通过socket发给协议栈，
2. 协议栈根据目的IP地址和系统路由表，知道去192.168.2.1的数据包应该要由192.168.2.11口出去
3. 由于是第一次访问192.168.2.1，且目的IP和本地IP在同一个网段，所以协议栈会先发送ARP出去，询问192.168.2.1的mac地址
4. 协议栈将ARP包交给veth0，让它发出去
5. 由于veth0的另一端连的是veth1，所以ARP请求包就转发给了veth1
6. veth1收到ARP包后，转交给另一端的协议栈
7. 协议栈一看自己的设备列表，发现本地没有192.168.2.1这个IP，于是就丢弃了该ARP请求包，这就是为什么只能看到ARP请求包，看不到应答包的原因

给两个veth设备都配置IP

给veth1也配置上IP

dev@debian:~$ sudo ip addr add 192.168.2.1/24 dev veth1

再ping 192.168.2.1成功（由于192.168.2.1是本地IP，所以默认会走lo设备，为了避免这种情况，这里使用ping命令带上了-I参数，指定数据包走指定设备）

dev@debian:~$ ping -c 4 192.168.2.1 -I veth0
PING 192.168.2.1 (192.168.2.1) from 192.168.2.11 veth0: 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.2.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.032 ms
64 bytes from 192.168.2.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.048 ms
64 bytes from 192.168.2.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.055 ms
64 bytes from 192.168.2.1: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.050 ms

--- 192.168.2.1 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 3002ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.032/0.046/0.055/0.009 ms

注意：对于非debian系统，这里有可能ping不通，主要是因为内核中的一些ARP相关配置导致veth1不返回ARP应答包，如ubuntu上就会出现这种情况，解决办法如下：
root@ubuntu:~# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth1/accept_local
root@ubuntu:~# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth0/accept_local
root@ubuntu:~# echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/rp_filter
root@ubuntu:~# echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth0/rp_filter
root@ubuntu:~# echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/veth1/rp_filter

再来看看抓包情况，我们在veth0和veth1上都看到了ICMP echo的请求包，但为什么没有应答包呢？上面不是显示ping进程已经成功收到了应答包吗？

dev@debian:~$ sudo tcpdump -n -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
20:23:43.113062 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24169, seq 1, length 64
20:23:44.112078 IP 192.168.2.11 
> 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24169, seq 2, length 64
20:23:45.111091 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24169, seq 3, length 64
20:23:46.110082 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24169, seq 4, length 64


dev@debian:~$ sudo tcpdump -n -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
20:24:12.221372 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24174, seq 1, length 64
20:24:13.222089 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24174, seq 2, length 64
20:24:14.224836 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24174, seq 3, length 64
20:24:15.223826 IP 192.168.2.11 > 192.168.2.1: ICMP echo request, id 24174, seq 4, length 64

看看数据包的流程就明白了：

1. ping进程构造ICMP echo请求包，并通过socket发给协议栈，
2. 由于ping程序指定了走veth0，并且本地ARP缓存里面已经有了相关记录，所以不用再发送ARP出去，协议栈就直接将该数据包交给了veth0
3. 由于veth0的另一端连的是veth1，所以ICMP echo请求包就转发给了veth1
4. veth1收到ICMP echo请求包后，转交给另一端的协议栈
5. 协议栈一看自己的设备列表，发现本地有192.168.2.1这个IP，于是构造ICMP echo应答包，准备返回
6. 协议栈查看自己的路由表，发现回给192.168.2.11的数据包应该走lo口，于是将应答包交给lo设备
7. lo接到协议栈的应答包后，啥都没干，转手又把数据包还给了协议栈（相当于协议栈通过发送流程把数据包给lo，然后lo再将数据包交给协议栈的接收流程）
8. 协议栈收到应答包后，发现有socket需要该包，于是交给了相应的socket
9. 这个socket正好是ping进程创建的socket，于是ping进程收到了应答包

抓一下lo设备上的数据，发现应答包确实是从lo口回来的：

dev@debian:~$ sudo tcpdump -n -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
20:25:49.590273 IP 192.168.2.1 > 192.168.2.11: ICMP echo reply, id 24177, seq 1, length 64
20:25:50.590018 IP 192.168.2.1 > 192.168.2.11: ICMP echo reply, id 24177, seq 2, length 64
20:25:51.590027 IP 192.168.2.1 > 192.168.2.11: ICMP echo reply, id 24177, seq 3, length 64
20:25:52.590030 IP 192.168.2.1 > 192.168.2.11: ICMP echo reply, id 24177, seq 4, length 64

试着ping下其它的IP

ping 192.168.2.0/24网段的其它IP失败，ping一个公网的IP也失败：

dev@debian:~$ ping -c 1 -I veth0 192.168.2.2
PING 192.168.2.2 (192.168.2.2) from 192.168.2.11 veth0: 56(84) bytes of data.
From 192.168.2.11 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable

--- 192.168.2.2 ping statistics ---
1 packets transmitted, 0 received, +1 errors, 100% packet loss, time 0ms

dev@debian:~$ ping -c 1 -I veth0 baidu.com
PING baidu.com (111.13.101.208) from 192.168.2.11 veth0: 56(84) bytes of data.
From 192.168.2.11 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable

--- baidu.com ping statistics ---
1 packets transmitted, 0 received, +1 errors, 100% packet loss, time 0ms

从抓包来看，和上面第一种veth1没有配置IP的情况是一样的，ARP请求没人处理

dev@debian:~$ sudo tcpdump -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
02:25:23.223947 ARP, Request who-has 192.168.2.2 tell 192.168.2.11, length 28
02:25:24.224352 ARP, Request who-has 192.168.2.2 tell 192.168.2.11, length 28
02:25:25.223471 ARP, Request who-has 192.168.2.2 tell 192.168.2.11, length 28
02:25:27.946539 ARP, Request who-has 123.125.114.144 tell 192.168.2.11, length 28
02:25:28.946633 ARP, Request who-has 123.125.114.144 tell 192.168.2.11, length 28
02:25:29.948055 ARP, Request who-has 123.125.114.144 tell 192.168.2.11, length 28

结束语

从上面的介绍中可以看出，从veth0设备出去的数据包，会转发到veth1上，如果目的地址是veth1的IP的话，就能被协议栈处理，否则连ARP那关都过不了，IP forward啥的都用不上，所以不借助其它虚拟设备的话，这样的数据包只能在本地协议栈里面打转转，没法走到eth0上去，即没法发送到外面的网络中去。

下一篇将介绍Linux下的网桥，到时候veth设备就有用武之地了。

参考

• Linux Switching – Interconnecting Namespaces