Linux Kernel TCP/IP Stack — L2 Layer — Linux Bridge（虚拟网桥）的基本操作
2024-05-29 17:00:43
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文章目录
- 目录
- Linux bridge 的基本操作
- 创建 Bridge
- 将 veth pair 连上 Bridge
- 为 Bridge 配置 IP 地址
- 将物理网卡接口设备挂靠 Bridge
- Linux Bridge 与虚拟机
- Linux Bridge 与容器
- Linux Bridge 的 MAC 地址行为
- Linux Bridge 常用指令
Linux bridge 的基本操作
创建 Bridge
$ brctl addbr br0
# or
$ ip link add name br0 type bridge$ ip link set br0 up
刚新建的 bridge 是一个独立的虚拟网络设备，现阶段只有一个端口连着 TCP/IP Stack，此时的 bridge 没有实际功能，网络拓扑如下：
+----------------------------------------------------------------+
| |
| +------------------------------------------------+ |
| | Newwork Protocol Stack | |
| +------------------------------------------------+ |
| ↑ ↑ |
|..............|................................|................|
| ↓ ↓ |
| +----------+ +------------+ |
| | eth0 | | br0 | |
| +----------+ +------------+ |
| 192.168.3.21 ↑ |
| | |
| | |
+--------------|-------------------------------------------------+↓Physical Network
将 veth pair 连上 Bridge
$ ip link add veth0 type veth peer name veth1$ ip addr add 192.168.3.101/24 dev veth0
$ ip addr add 192.168.3.102/24 dev veth1$ ip link set veth0 up
$ ip link set veth1 up$ brctl addif br0 veth0
# or
$ ip link set dev veth0 master br0$ bridge link
6: veth0 state UP : <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 master br0 state forwarding priority 32 cost 2
此时网络拓扑如下：
+----------------------------------------------------------------+
| |
| +------------------------------------------------+ |
| | Newwork Protocol Stack | |
| +------------------------------------------------+ |
| ↑ ↑ | ↑ |
|............|............|..............|............|..........|
| ↓ ↓ ↓ ↓ |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | .3.21| | | | .3.101| | .3.102| |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | eth0 | | br0 |<--->| veth0 | | veth1 | |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| ↑ ↑ ↑ |
| | | | |
| | +------------+ |
| | |
+------------|---------------------------------------------------+↓Physical Network
br0 和 veth0 相连之后，发生了几个变化：
- veth0 与 veth1 相连（类似网线的两端）。
- veth0 和 veth1 都与网络协议栈相连（具有 IP 地址）。
- veth0 与 br0 相连，其一端被插入到 br0 中。两者是双向通道。
- TCP/IP Stack 和 veth0 之间变成了单向通道。veth0 能接受 TCP/IP Stack 发来的数据，但 veth0 不会把从外面收到的数据转发给 TCP/IP Stack。
- br0 的 “隐藏 MAC 地址” 变成了 veth0 的 mac 地址
相当于 bridge 在 veth0 和 TCP/IP Stack 之间插了一脚。veth0 本来要转发给 TCP/IP Stack 的数据被拦截，并全部转发给 bridge 了，即：接入到 bridge 的 veth pair 设备只能将数据包发送给 bridge，同时 bridge 也可以向 veth0 发送数据。
为 Bridge 配置 IP 地址
常见的物理交换机中，有些是支持配置 IP 地址的，管理员可以 SSH 到交换机上进行配置作业；有些事不支持配置 IP 地址的，提供了 COM 口给管理员接入；有些更简单的设备连 COM 口都没有，不支持额外的配置。
正如上文所言，Linux Bridge 具有 “虚拟网卡设备” 和 “虚拟网桥设备” 两重功能，所以 Bridge 属于支持配置 IP 地址的类型，其内含了一张 “隐藏的网卡（MAC 地址）”，通常的，会把挂载到 Bridge 的网络设备（e.g. eth0、veth0 等）的 IP 地址给 Bridge 使用。
该虚拟网卡一端连在 Bridge 上，另一端连在 TCP/IP Stack 上。另外，和物理交换机一样，Bridge 的 “虚拟网桥” 功能不依赖于 “虚拟网卡”。
$ ip addr del 192.168.3.101/24 dev veth0
$ ip addr add 192.168.3.101/24 dev br0
此时网络拓扑如下：
+----------------------------------------------------------------+
| |
| +------------------------------------------------+ |
| | Newwork Protocol Stack | |
| +------------------------------------------------+ |
| ↑ ↑ ↑ |
|............|............|...........................|..........|
| ↓ ↓ ↓ |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | .3.21| | .3.101 | | | | .3.102| |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | eth0 | | br0 |<--->| veth0 | | veth1 | |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| ↑ ↑ ↑ |
| | | | |
| | +------------+ |
| | |
+------------|---------------------------------------------------+↓Physical Network
这样的，br0 和 veth1 通过 veth0 连接了起来，此时的 veth pair 就相当于一根网线。
验证：
# 通过 veth0 不能 ping 通 veth1
$ ping -c 1 -I veth0 192.168.3.102# 通过 br0 能 ping 通 veth0
$ ping -c 1 -I br0 192.168.3.102
NOTE：此时 br0 还是 ping 不同网关（.3.1），因为 br0 上只有两个端口，并没有连接网关，所以无法将数据帧转发给网关。
将物理网卡接口设备挂靠 Bridge
$ brctl addif br0 eth0
# or
$ sudo ip link set dev eth0 master br0
NOTE：物理网卡设备接口挂靠到 Bridge 之后，物理网卡设备的 IP 地址就会无效。所以再执行此处操作的时候，要注意 SSH 的网络连通性。
将 eth0 加入 br0 的效果与加入 veth0 是一样的，Bridge 不区分物理或网络设备，物理网卡设备从外部网络接收到的数据包都会直接转发给 br0。
另外，由于 eth0 的 IP 已经无效了，但原先的 Routes 依旧存在，会影响 TCP/IP 的路由选择。通常的，需要手动的进行配置，删除 eth0 的路由规则，增加 bridge 的路由规则。
# 错误的路由规则
Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
default 192.168.3.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 eth0# 删除旧的默认网关（系统自动为网卡 eth0 生成的，也会自动删除）
$ ip addr del 192.168.3.21/24 dev eth0# 添加新的默认网关（设备缺省为 br0）
$ ip route add default via 192.168.3.1 dev br0# 正确的路由规则
Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
default 192.168.3.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 br0
此时网络拓扑如下：
+----------------------------------------------------------------+
| |
| +------------------------------------------------+ |
| | Newwork Protocol Stack | |
| +------------------------------------------------+ |
| ↑ ↑ |
|.........................|...........................|..........|
| ↓ ↓ |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | | | .3.101 | | | | .3.102| |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | eth0 |<--->| br0 |<--->| veth0 | | veth1 | |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| ↑ ↑ ↑ |
| | | | |
| | +------------+ |
| | |
+------------|---------------------------------------------------+↓Physical Network
真的此时的拓扑，需要注意：
- eth0 要启用混杂模式，不根据自身的 MAC 地址过滤数据帧，即：转发所有数据帧。
$ ifconfig eth0 0.0.0.0 promisc
由于 Linux 下的 ARP 特性，当 TCP/IP Stack 转发外部网络的 ARP request 时，不管路由给 101 还是 102，都会得到两个 ARP reply，分别包含 br0 和 veth1 的 MAC 地址。这是因为 Linux 觉得从外部网络接收到的 101 和 102 数据包无论是从 br0 还是 veth1 进入 TCP/IP Stack 都是一样的。不过，由于回复了两个 arp reply，而外部网络的设备只会随机的用到其中的一个，所以外部网络发送给 102 的数据包可能会从 101 的 br0 上进来，反之亦然。说明数据流在 Bridge 并没有完全的隔离开，br0 和 veth1 会收到对方的 IP 应答包。为了解决上述问题，可以配置 rp_filter、arp_filter、arp_ignore、arp_announce 等参数，但会比较复杂。所以，一般不建议同一个 Bridge 上有多个端口接入到 Linux Kernel TCP/IP Stack，而是应该使用 Network Namespace 进行 TCP/IP Stack 的隔离（veth pair 的两端处于不同的 Namespace）。上述只是用于说明的测试拓扑。
在无线网络环境中，情况会变得比较复杂，因为无线网络需要登录，登陆后无线路由器只认一个 MAC 地址。所有，从这台机器出去的 MAC 地址都必须是那一个，于是通过无线网卡上网的机器上的所有 VMs 想要上网的话，都必须依赖虚拟机管理软件（e.g. VirtualBox）将每个虚拟机的网卡 MAC 地址转成同一个出口的 MAC 地址（即：无线网卡的 MAC 地址），数据包回来的时候还要转回来。所以，如果一个 IP 有两个 ARP replay 的话，有可能导致 MAC 地址的转换有问题，导致网络不通，或者有时通有时不通。解决办法就是将连接进 br0 的所有设备的 MAC 地址都改成和 eth0 一样的 MAC 地址，因为 eth0 的 MAC 地址会被虚拟机正常的做转换。
$ ip link set dev veth1 down# 08:00:27:3b:0d:b9 是 eth0 的 MAC 地址。
$ ip link set dev veth1 address 08:00:27:3b:0d:b9
$ sudo ip link set dev veth1 up
Linux Bridge 与虚拟机
Linux 上的 KVM 虚拟机通过虚拟网卡设备（e.g. tap、tun）将虚拟机与 Bridge 连接起来，达到与真实交换机一样的网络拓扑模型。虚拟机发出的数据包先到 br0 然后再由 br0 交给 eth0 并发送到外部网络。整个过程数据包都不需要经过宿主机的网络协议栈，效率高。
+----------------------------------------------------------------+-----------------------------------------+-----------------------------------------+
| Host | VirtualMachine1 | VirtualMachine2 |
| | | |
| +------------------------------------------------+ | +-------------------------+ | +-------------------------+ |
| | Newwork Protocol Stack | | | Newwork Protocol Stack | | | Newwork Protocol Stack | |
| +------------------------------------------------+ | +-------------------------+ | +-------------------------+ |
| ↑ | ↑ | ↑ |
|..........................|.....................................|...................|.....................|....................|....................|
| ↓ | ↓ | ↓ |
| +--------+ | +-------+ | +-------+ |
| | .3.101 | | | .3.102| | | .3.103| |
| +------+ +--------+ +-------+ | +-------+ | +-------+ |
| | eth0 |<--->| br0 |<--->|tun/tap| | | eth0 | | | eth0 | |
| +------+ +--------+ +-------+ | +-------+ | +-------+ |
| ↑ ↑ ↑ | ↑ | ↑ |
| | | +-------------------------------------------+ | | |
| | ↓ | | | |
| | +-------+ | | | |
| | |tun/tap| | | | |
| | +-------+ | | | |
| | ↑ | | | |
| | +-------------------------------------------------------------------------------|--------------------+ |
| | | | |
| | | | |
| | | | |
+------------|---------------------------------------------------+-----------------------------------------+-----------------------------------------+↓Physical Network (192.168.3.0/24)
Linux Bridge 与容器
容器运行在自己单独的 network namespace 里，有着自己单独的协议栈，整体上的网络拓扑与虚拟机的情况差不多，但容器采用了另一种方式来和外界通信。
容器中配置网关为 .9.1，发送的数据包先到达 br0 然后再交给宿主机的协议栈，由于目的 IP 是外网 IP，且宿主机开启了 IP forward（路由转发）功能，于是数据包就会通过 eth0 发送出去。由于 .9.1 是内网 IP，所以一般发出去之前会先做 NAT（网络地址转换）。显然 “容器+Bridge” 的性能没有 “虚拟机+Bridge” 的好，不过优点是容器处于内网中，安全性相对要高点。（由于数据包统一由 IP 层从 eth0 转发出去，所以不存在上文提到的多个 MAC 地址应答的问题）
+----------------------------------------------------------------+-----------------------------------------+-----------------------------------------+
| Host | Container 1 | Container 2 |
| | | |
| +------------------------------------------------+ | +-------------------------+ | +-------------------------+ |
| | Newwork Protocol Stack | | | Newwork Protocol Stack | | | Newwork Protocol Stack | |
| +------------------------------------------------+ | +-------------------------+ | +-------------------------+ |
| ↑ ↑ | ↑ | ↑ |
|............|.............|.....................................|...................|.....................|....................|....................|
| ↓ ↓ | ↓ | ↓ |
| +------+ +--------+ | +-------+ | +-------+ |
| |.3.101| | .9.1 | | | .9.2 | | | .9.3 | |
| +------+ +--------+ +-------+ | +-------+ | +-------+ |
| | eth0 | | br0 |<--->| veth | | | eth0 | | | eth0 | |
| +------+ +--------+ +-------+ | +-------+ | +-------+ |
| ↑ ↑ ↑ | ↑ | ↑ |
| | | +-------------------------------------------+ | | |
| | ↓ | | | |
| | +-------+ | | | |
| | | veth | | | | |
| | +-------+ | | | |
| | ↑ | | | |
| | +-------------------------------------------------------------------------------|--------------------+ |
| | | | |
| | | | |
| | | | |
+------------|---------------------------------------------------+-----------------------------------------+-----------------------------------------+↓Physical Network (192.168.3.0/24)
Linux Bridge 的 MAC 地址行为
# 创建 bridge，查看默认 MAC
$ 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 veth pair 设备
$ 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 1000link/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 1000link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff# attach mac-veth01（大 MAC）
$ ip link set dev mac-veth01 master br-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 1000link/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 1000link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff# attach mac-veth02（小 MAC）
$ 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 1000link/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 1000link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff# 增加 mac-veth02 的 MAC
$ 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 1000link/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 1000link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff# 更改 br-mac 的 MAC（大 MAC）
$ 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 1000link/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 1000link/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
$ ifconfig br-mac hw ether de:ee:ff:8d:0c:50
$ 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 1000link/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 1000link/ether de:ee:ff:8d:0c:50 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff# 增加 mac-veth01 的 mac
$ 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 1000link/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 1000link/ether de:ee:ff:8d:0c:51 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff# 增加新的设备
$ 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 1000link/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 1000link/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 1000link/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 1000link/ether c6:3f:65:95:e0:93 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff# attach mac-veth04（小 mac）
$ 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 1000link/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 1000link/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 1000link/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 1000link/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。
Linux Bridge 常用指令
help：
$ brctl
Usage: brctl [commands]
commands:addbr <bridge> add bridgedelbr <bridge> delete bridgeaddif <bridge> <device> add interface to bridgedelif <bridge> <device> delete interface from bridgehairpin <bridge> <port> {on|off} turn hairpin on/offsetageing <bridge> <time> set ageing timesetbridgeprio <bridge> <prio> set bridge prioritysetfd <bridge> <time> set bridge forward delaysethello <bridge> <time> set hello timesetmaxage <bridge> <time> set max message agesetpathcost <bridge> <port> <cost> set path costsetportprio <bridge> <port> <prio> set port priorityshow [ <bridge> ] show a list of bridgesshowmacs <bridge> show a list of mac addrsshowstp <bridge> show bridge stp infostp <bridge> {on|off} turn stp on/off
常用指令：
# 创建网桥
brctl addbr br-test
# 为网桥添加物理接口
brctl addif br-test enp4s0
# 删除网桥
brctl delbr br-test
# 删除网桥接口
brctl delif br-test enp4s0
# 显示网桥列表信息
brctl show
# 显示网桥br-test的信息
brctl show br-test
# 显示网桥的MAC地址信息
brctl showmacs br-test
# 显示网桥的stp信息
brctl showstp br-test
# 开|关 STP 生成树，关闭可以减少数据包污染
brctl stp br-test on|off
# 为网络设备开启混杂模式
ifconfig eth0 0.0.0.0 promisc
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