Linux-虚拟网络设备-LinuxBridge

时间：2021-09-15 08:19:29

基本概念

       bridge是一个虚拟网络设备，具有网络设备的特性（可以配置IP、MAC地址等）；而且bridge还是一个虚拟交换机，和物理交换机设备功能类似。网桥是一种在链路层实现中继，对帧进行转发的技术，根据MAC分区块，可隔离碰撞，将网络的多个网段在数据链路层连接起来的网络设备。
       对于普通的物理设备来说，只有两端，从一段进来的数据会从另一端出去，比如物理网卡从外面网络中收到的数据会转发到内核协议栈中，而从协议栈过来的数据会转发到外面的物理网络中。而bridge不同，bridge有多个端口，数据可以从任何端口进来，进来之后从哪个口出去原理与物理交换机类似，需要看mac地址。
       bridge是建立在从设备上（物理设备、虚拟设备、vlan设备等，即attach一个从设备，类似于现实世界中的交换机和一个用户终端之间连接了一根网线），并且可以为bridge配置一个IP（参考LinuxBridge MAC地址行为），这样该主机就可以通过这个bridge设备与网络中的其他主机进行通信了。另外它的从设备被虚拟化为端口port，它们的IP及MAC都不在可用，且它们被设置为接受任何包，最终由bridge设备来决定数据包的去向：接收到本机、转发、丢弃、广播。

作用

       bridge是用于连接两个不同网段的常见手段，不同网络段通过bridge连接后就如同在一个网段一样，工作原理很简单就是L2数据链路层进行数据包的转发。

工作原理

基本原理图如下（来源于网络）：


Linux-虚拟网络设备-LinuxBridge

数据流向（来源于网络）：

Linux-虚拟网络设备-LinuxBridge

      bridge和route比较相似，都可以用来分发网络数据包，它们的本质不同在于：route在L3网络层，使用路由协议、bridge在L2数据链路层，通过学习和缓存在链路上传输的数据包中的源地址以及物理层的输入端口：

  • 收到新数据包时，记录源MAC地址和输入端口

  • 根据数据包中的目的MAC地址查找本地缓存，如果能找到对应的MAC地址记录

  • 若发现记录不在本地网络，直接丢弃数据包
  • 若发现记录存在对应的端口，则将数据包直接从该端口转发出去
  • 如果本地缓存中不存在任何记录，则在本网段中进行广播。


Linux-虚拟网络设备-LinuxBridge

因此，通过Linux bridge来实现打通容器网络是一个非常有效的方法，同步bridge，我们可以做到：

  • 连接同宿主机内所有容器的虚拟网络
  • 打通容器内网与外网，通过bridge将数据转发到真实的往里网卡eth0中。

常用命令

brctl

安装与配置

#安装bridge-utils软件包，并加载bridge模块和开启内核转发。
root@ubuntu:/home/sunld# apt-get install bridge-utils
root@ubuntu:/home/sunld# modprobe bridge
root@ubuntu:/home/sunld# echo "1">/proc/sys/net/ipv4/ip_forward

命令显示

root@ubuntu:/home/sunld# brctl
Usage: brctl [commands]
commands:
    addbr       <bridge>        add bridge
    delbr       <bridge>        delete bridge
    addif       <bridge> <device>   add interface to bridge
    delif       <bridge> <device>   delete interface from bridge
    hairpin     <bridge> <port> {on|off} turn hairpin on/off
    setageing   <bridge> <time>     set ageing time
    setbridgeprio   <bridge> <prio>     set bridge priority
    setfd       <bridge> <time>     set bridge forward delay
    sethello    <bridge> <time>     set hello time
    setmaxage   <bridge> <time>     set max message age
    setpathcost <bridge> <port> <cost>  set path cost
    setportprio <bridge> <port> <prio>  set port priority
    show        [ <bridge> ]        show a list of bridges
    showmacs    <bridge>        show a list of mac addrs
    showstp     <bridge>        show bridge stp info
    stp         <bridge> {on|off} turn stp on/off

创建bridge

#增加一个网桥
root@ubuntu:/home/sunld# brctl addbr br0
#将现有网卡连接到往前，由于该网卡开启了混杂模式，可以不需要配置IP，因为bridge工作在L2链路层
root@ubuntu:/home/sunld# ifconfig eth0 0.0.0.0 promisc
root@ubuntu:/home/sunld# ifconfig eth1 0.0.0.0 promisc
root@ubuntu:/home/sunld# brctl addif br0 eth0 eth1
#查看已有网桥
root@ubuntu:/home/sunld# brctl show
root@ubuntu:/home/sunld# bridge link
#给bridge配置IP
root@ubuntu:/home/sunld# ifconfig br0 10.10.1.1 netmask 255.255.0.0 up

删除bridge

root@ubuntu:/home/sunld# brctl delbr br0

关闭生成树

#关闭生成树协议，减少数据包污染
root@ubuntu:/home/sunld# brctl stp br0 off

配置bridge开机激活

root@ubuntu:/home/sunld# echo "modprobe bridge">>/etc/rc.local

#配置eth0 eth1 br0开机启动，eth0，eth1未设置IP信息，在启动br0网卡时，开启了eth0，eth1的混杂模式，并桥接了它们。
vim /etc/network/interfaces

auto lo eth0 eth1 br0
iface lo inet loopback
iface br0 inet static
address 10.10.10.1
netmask 255.255.0.0
gateway 10.10.10.254
pre-up ip link set eth0 promisc on
pre-up ip link set eth1 promisc on
pre-up echo "1">/proc/sys/net/ipv4/ip_forward   
bridge_ports eth0 eth1

一步一步实现bridge

创建bridge

root@ubuntu:~# ip link add br-sunld08-test type bridge
root@ubuntu:~# ip link set dev br-sunld08-test up

       当创建一个bridge时，它是一个独立的网络设备，只有一个端口连接者协议栈，其他端口什么都没有连接，此时bridge没有任何实际功能，如下图所示：

root@ubuntu:~# ip link show br-sunld08-test
48: br-sunld08-test: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default 
 link/ether 1a:7b:cf:3b:08:53 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
root@ubuntu:~# brctl show br-sunld08-test
bridge name bridge id STP enabled interfaces
br-sunld08-test 8000.000000000000 no

部署图如下：


Linux-虚拟网络设备-LinuxBridge

创建veth并连接到br-sunld08-test上

创建

#创建veth
root@ubuntu:~# ip link add test-veth08 type veth peer name test-veth09
#配置IP
root@ubuntu:~# ifconfig test-veth08 192.168.209.135/24 up
root@ubuntu:~# ifconfig test-veth09 192.168.209.136/24 up
#启动设备
root@ubuntu:~# ip link set dev test-veth08 up
root@ubuntu:~# ip link set dev test-veth09 up
#把test-veth08连接到br-sunld08-test
root@ubuntu:~# ip link set dev test-veth08 master br-sunld08-test
#查看信息
root@ubuntu:~# bridge link | grep test-veth08
50: test-veth08 state UP : <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 master br-sunld08-test state forwarding priority 32 cost 2

部署图


Linux-虚拟网络设备-LinuxBridge

发生的变化

当test-veth08连接到br-sunld08-test时发生的变化：

  • br-sunld08-test和test-veth08连接起来，并且是双向的通道

  • 协议栈和test-veth08之间变成单向通道，协议栈能发数据给test-veth08，但是test-veth08从外面收到的数据不能转发给协议栈

  • br-sunld08-test的mac地址变成了test-veth08的mac地址（可以通过 ip a查看
    ）

    相当于bridge在test-veth08和协议栈之间做了一次拦截，将test-veth08本来要转发给协议栈的数据拦截，全部转发给了bridge，同时bridge也可以向test-veth08发送数据。

连通性


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sunld-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:/home/sunld# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/test-veth08/accept_local
root@ubuntu:/home/sunld# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/test-veth09/accept_local
root@ubuntu:/home/sunld# echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/rp_filter
root@ubuntu:/home/sunld# echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/test-veth08/rp_filter
root@ubuntu:/home/sunld# echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/test-veth09/rp_filter

通过test-veth08 ping test-veth09：ping不通

root@ubuntu:~# ping -c 4 192.168.209.136 -I test-veth08
PING 192.168.209.136 (192.168.209.136) from 192.168.209.135 test-veth08: 56(84) bytes of data.
From 192.168.209.135 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
From 192.168.209.135 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable
From 192.168.209.135 icmp_seq=3 Destination Host Unreachable
From 192.168.209.135 icmp_seq=4 Destination Host Unreachable

查看数据包

#由于test-veth08的arp缓存里没有test-veth09的mac地址，所以ping之前先发出arp请求
#从test-veth09上抓包来看，test-veth09收到了arp请求，并且返回了应答
root@ubuntu:/home/sunld# tcpdump -n -i test-veth09
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on test-veth09, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
00:22:38.369683 ARP, Request who-has 192.168.209.136 tell 192.168.209.135, length 28
00:22:38.369698 ARP, Reply 192.168.209.136 is-at 6a:11:bf:6b:21:8f, length 28
#从veth0上抓包来看，数据包也发出去了，并且也收到了返回
root@ubuntu:/home/sunld# tcpdump -n -i test-veth08
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on test-veth08, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
00:22:11.736906 ARP, Request who-has 192.168.209.136 tell 192.168.209.135, length 28
00:22:11.736918 ARP, Reply 192.168.209.136 is-at 6a:11:bf:6b:21:8f, length 28
#再看br0上的数据包，发现只有应答 
root@ubuntu:/home/sunld# tcpdump -n -i br-sunld08-test
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on br-sunld08-test, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
00:24:48.601526 ARP, Reply 192.168.209.136 is-at 6a:11:bf:6b:21:8f, length 28


从上面的抓包可以看出，去和回来的流程都没有问题，问题就出在test-veth08收到应答包后没有给协议栈，而是给了br-sunld08-test，于是协议栈得不到test-veth09的mac地址，从而通信失败。

bridge配置IP

通过上面的分析可以看出，给test-veth08配置IP没有意义，因为就算协议栈传数据给test-veth08，应当包也回不来。这里我们将test-veth08的ip配置给bridge。

root@ubuntu:~# ip addr del 192.168.209.135/24 dev test-veth08
root@ubuntu:~# ip addr add 192.168.209.135/24 dev br-sunld08-test

部署图


Linux-虚拟网络设备-LinuxBridge

连通性

root@ubuntu:~# ping -c 4 192.168.209.136 -I br-sunld08-test
PING 192.168.209.136 (192.168.209.136) from 192.168.209.135 br-sunld08-test: 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.209.136: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.238 ms
64 bytes from 192.168.209.136: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.089 ms
64 bytes from 192.168.209.136: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.243 ms
64 bytes from 192.168.209.136: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.139 ms

但ping网关还是失败，因为这个bridge上只有两个网络设备，分别是192.168.209.135和192.168.209.136，br0不知道192.168.209.1在哪。

root@ubuntu:~# ping -c 4 192.168.209.2 -I br-sunld08-test
PING 192.168.209.2 (192.168.209.2) from 192.168.209.135 br-sunld08-test: 56(84) bytes of data.
^C
--- 192.168.209.2 ping statistics ---
3 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss, time 2000ms

将物理网卡绑定到bridge

root@ubuntu:~# ip link set dev eth0 master br-sunld08-test
root@ubuntu:~# bridge link 
2: eth0 state UP : <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 master br-sunld08-test state forwarding priority 32 cost 4 
50: test-veth08 state UP : <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 master br-sunld08-test state forwarding priority 32 cost 2

       bridge根本不区分接入进来的是物理设备还是虚拟设备，对于bridge来说都是一样，都是网络设备，所以当eth0加入bridge之后，和test-veth08的功能一样，从外面网络收到的数据包将无条件的转发给br0，自己变成一根网线。
       这时通过eth0 平网关则失败，由于bridge通过eth0这根网线连接上了外面的物理机，所以连接到bridge上的设备可以ping通网关。这里连接到bridge的设备是test-veth09和自己veth1是通过veth0这根网线连上去的，而br0可以理解为自己有一块自带的网卡。

删除物理网卡的IP

由于eth0已经变成了和网线差不多的功能，所以在eth0上配置IP已经没有什么意义了，并且还会影响协议栈的路由选择，比如如果上面ping的时候不指定网卡的话，协议栈有可能优先选择eth0，导致ping不通，所以这里需要将eth0上的IP去掉。

部署图


Linux-虚拟网络设备-LinuxBridge

bridge是否需要必须配置IP

内核实现

工作过程

如下图所示（图片来源于网络）：


Linux-虚拟网络设备-LinuxBridge

注意事项

IP地址

当一个设备attach到bridge上时，该设备上的IP则变为无效，Linux不在使用那个IP在三层接受数据。此时应该把该设备的IP赋值给bridge设备。

数据流向

对于一个被attach到bridge上的设备来说，只有当它收到数据时，此包数据才会被转发到bridge上，进而完成查找表广播等后续操作。当请求是发送类型时，数据是不会被转发到bridge上的，它会寻址下一个发送出口。用户在配置网络时经常忽略这一点从而造成网络故障。

应用场景

vm


Linux-虚拟网络设备-LinuxBridge

docker


Linux-虚拟网络设备-LinuxBridge

其他

LinuxBridge MAC地址行为

#创建bridge，查看默认mac
root@ubuntu:~# ip link add br-mac type bridge
20: br-mac: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default 
link/ether f6:b0:c9:7c:04:1d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
#创建设备veth
root@ubuntu:~# ip link add mac-veth01 type veth peer name mac-veth02
20: br-mac: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default 
link/ether f6:b0:c9:7c:04:1d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
21: mac-veth02: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
link/ether 92:a2:23:d5:88:56 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
22: mac-veth01: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

#attach mac-veth01（大MAC）
20: br-mac: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default 
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50（自动变为mac-veth01的mac） brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
21: mac-veth02: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
link/ether 92:a2:23:d5:88:56 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
22: mac-veth01: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

#attach mac-veth02（小MAC）
root@ubuntu:~# ip link set dev mac-veth02 master br-mac
20: br-mac: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default 
link/ether 92:a2:23:d5:88:56（变化为小mac，mac-veth02的mac） brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
21: mac-veth02: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether 92:a2:23:d5:88:56 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
22: mac-veth01: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

#增加mac-veth02的mac
root@ubuntu:~# ifconfig mac-veth02 hw ether de:ee:ff:8d:0c:51
20: br-mac: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default 
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50（变化为小mac，mac-veth01的mac） brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
21: mac-veth02: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:51 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
22: mac-veth01: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
#更改br-mac的mac（大mac）
root@ubuntu:~# ifconfig br-mac hw ether de:ee:ff:8d:0c:52
20: br-mac: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default 
link/ether de:ee:ff:8d:0c:52（变化为指定的mac） brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
21: mac-veth02: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:51 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
22: mac-veth01: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

#设置br-mac same as mac-veth01，mac-veth02 mac减小
root@ubuntu:~# ifconfig br-mac hw ether de:ee:ff:8d:0c:50
root@ubuntu:~# ifconfig mac-veth02 hw ether de:ee:ff:8d:0c:49
20: br-mac: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default 
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50（和设置的mac一样，不变） brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
21: mac-veth02: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:49 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
22: mac-veth01: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

#增加mac-veth01的mac
root@ubuntu:~# ifconfig mac-veth01 hw ether de:ee:ff:8d:0c:51
20: br-mac: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default 
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50（mac不变） brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
21: mac-veth02: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:49 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
22: mac-veth01: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:51 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
#增加新的设备
root@ubuntu:~# ip link add mac-veth03 type veth peer name mac-veth04
20: br-mac: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default 
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
21: mac-veth02: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:49 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
22: mac-veth01: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:51 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
23: mac-veth04: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
link/ether 46:62:dd:cd:4f:41 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
24: mac-veth03: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
link/ether c6:3f:65:95:e0:93 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
#attach mac-veth04（小mac）
root@ubuntu:~# brctl addif br-mac mac-veth04
20: br-mac: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default 
link/ether de:ee:ff:8d:0c:50（不变） brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
21: mac-veth02: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:49 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
22: mac-veth01: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether de:ee:ff:8d:0c:51 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
23: mac-veth04: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop master br-mac state DOWN group default qlen 1000
link/ether 46:62:dd:cd:4f:41 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
24: mac-veth03: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
link/ether c6:3f:65:95:e0:93 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

结论

br0如果没有指定hw MAC, br0的MAC地址会根据bridge中port的变化，自动选择port中最小的一个MAC地址作为br0的MAC地址。br0只能指定port中有的interface的MAC作为br0的MAC地址。

参考资料

基于veth的网络虚拟化
Linux虚拟网络设备之bridge(桥)
Linux 网桥配置命令：brctl
Linux-虚拟网络设备-veth pair
Linux下的虚拟Bridge实现
bridge
linux网桥设置MAC地址时的行为
br_device.c

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