Linux 虚拟网络设备之 bridge
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2021-08-25 16:36
继前两篇介绍了tun/tap和veth之后，本篇将介绍Linux下常用的一种虚拟网络设备，那就是bridge(桥)。
本篇将通过实际的例子来一步一步解释bridge是如何工作的。
什么是bridge？
首先，bridge是一个虚拟网络设备，所以具有网络设备的特征，可以配置IP、MAC地址等；其次，bridge是一个虚拟交换机，和物理交换机有类似的功能。
对于普通的网络设备来说，只有两端，从一端进来的数据会从另一端出去，如物理网卡从外面网络中收到的数据会转发给内核协议栈，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和物理交换机的原理差不多，要看mac地址。
创建bridge
我们先用iproute2创建一个bridge：
dev@debian:~$ sudo ip link add name br0 type bridge
dev@debian:~$ sudo ip link set br0 up
当刚创建一个bridge时，它是一个独立的网络设备，只有一个端口连着协议栈，其它的端口啥都没连，这样的bridge没有任何实际功能，如下图所示：
+----------------------------------------------------------------+
| |
| +------------------------------------------------+ |
| | Newwork Protocol Stack | |
| +------------------------------------------------+ |
| ↑ ↑ |
|..............|................................|................|
| ↓ ↓ |
| +----------+ +------------+ |
| | eth0 | | br0 | |
| +----------+ +------------+ |
| 192.168.3.21 ↑ |
| | |
| | |
+--------------|-------------------------------------------------+
↓
Physical Network
❝这里假设eth0是我们的物理网卡，IP地址是192.168.3.21，网关是192.168.3.1
将bridge和veth设备相连
创建一对veth设备，并配置上IP
dev@debian:~$ sudo ip link add veth0 type veth peer name veth1
dev@debian:~$ sudo ip addr add 192.168.3.101/24 dev veth0
dev@debian:~$ sudo ip addr add 192.168.3.102/24 dev veth1
dev@debian:~$ sudo ip link set veth0 up
dev@debian:~$ sudo ip link set veth1 up
将veth0连上br0
dev@debian:~$ sudo ip link set dev veth0 master br0
#通过bridge link命令可以看到br0上连接了哪些设备
dev@debian:~$ sudo bridge link
6: veth0 state UP : <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 master br0 state forwarding priority 32 cost 2
这时候，网络就变成了这个样子:
+----------------------------------------------------------------+
| |
| +------------------------------------------------+ |
| | Newwork Protocol Stack | |
| +------------------------------------------------+ |
| ↑ ↑ | ↑ |
|............|............|..............|............|..........|
| ↓ ↓ ↓ ↓ |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | .3.21| | | | .3.101| | .3.102| |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | eth0 | | br0 |<--->| veth0 | | veth1 | |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| ↑ ↑ ↑ |
| | | | |
| | +------------+ |
| | |
+------------|---------------------------------------------------+
↓
Physical Network
❝这里为了画图方便，省略了IP地址前面的192.168，比如.3.21就表示192.168.3.21
br0和veth0相连之后，发生了几个变化：
br0和veth0之间连接起来了，并且是双向的通道 协议栈和veth0之间变成了单通道，协议栈能发数据给veth0，但veth0从外面收到的数据不会转发给协议栈 br0的mac地址变成了veth0的mac地址
相当于bridge在veth0和协议栈之间插了一脚，在veth0上面做了点小动作，将veth0本来要转发给协议栈的数据给拦截了，全部转发给bridge了，同时bridge也可以向veth0发数据。
下面来检验一下是不是这样的：
通过veth0 ping veth1失败：
dev@debian:~$ ping -c 1 -I veth0 192.168.3.102
PING 192.168.2.1 (192.168.2.1) from 192.168.2.11 veth0: 56(84) bytes of data.
From 192.168.2.11 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
--- 192.168.2.1 ping statistics ---
1 packets transmitted, 0 received, +1 errors, 100% packet loss, time 0ms
为什么veth0加入了bridge之后，就ping不通veth2了呢？先抓包看看：
#由于veth0的arp缓存里面没有veth1的mac地址，所以ping之前先发arp请求
#从veth1上抓包来看，veth1收到了arp请求，并且返回了应答
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
21:43:48.353509 ARP, Request who-has 192.168.3.102 tell 192.168.3.101, length 28
21:43:48.353518 ARP, Reply 192.168.3.102 is-at 26:58:a2:57:37:e9, 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
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
21:44:09.775392 ARP, Request who-has 192.168.3.102 tell 192.168.3.101, length 28
21:44:09.775400 ARP, Reply 192.168.3.102 is-at 26:58:a2:57:37:e9, length 28
#再看br0上的数据包，发现只有应答
dev@debian:~$ sudo tcpdump -n -i br0
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on br0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
21:45:48.225459 ARP, Reply 192.168.3.102 is-at 26:58:a2:57:37:e9, 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veth0收到应答包后没有给协议栈，而是给了br0，于是协议栈得不到veth1的mac地址，从而通信失败。
给bridge配上IP
通过上面的分析可以看出，给veth0配置IP没有意义，因为就算协议栈传数据包给veth0，应答包也回不来。这里我们就将veth0的IP让给bridge。
dev@debian:~$ sudo ip addr del 192.168.3.101/24 dev veth0
dev@debian:~$ sudo ip addr add 192.168.3.101/24 dev br0
于是网络变成了这样子：
+----------------------------------------------------------------+
| |
| +------------------------------------------------+ |
| | Newwork Protocol Stack | |
| +------------------------------------------------+ |
| ↑ ↑ ↑ |
|............|............|...........................|..........|
| ↓ ↓ ↓ |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | .3.21| | .3.101 | | | | .3.102| |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | eth0 | | br0 |<--->| veth0 | | veth1 | |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| ↑ ↑ ↑ |
| | | | |
| | +------------+ |
| | |
+------------|---------------------------------------------------+
↓
Physical Network
❝其实veth0和协议栈之间还是有联系的，但由于veth0没有配置IP，所以协议栈在路由的时候不会将数据包发给veth0，就算强制要求数据包通过veth0发送出去，但由于veth0从另一端收到的数据包只会给br0，所以协议栈还是没法收到相应的arp应答包，导致通信失败。这里为了表达更直观，将协议栈和veth0之间的联系去掉了，veth0相当于一根网线。
再通过br0 ping一下veth1，结果成功
dev@debian:~$ ping -c 1 -I br0 192.168.3.102
PING 192.168.3.102 (192.168.3.102) from 192.168.3.101 br0: 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.3.102: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.121 ms
--- 192.168.3.102 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.121/0.121/0.121/0.000 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192.168.3.101和192.168.3.102，br0不知道192.168.3.1在哪。
dev@debian:~$ ping -c 1 -I br0 192.168.3.1
PING 192.168.3.1 (192.168.3.1) from 192.168.3.101 br0: 56(84) bytes of data.
From 192.168.3.101 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
--- 192.168.3.1 ping statistics ---
1 packets transmitted, 0 received, +1 errors, 100% packet loss, time 0ms
将物理网卡添加到bridge
将eth0添加到br0上：
dev@debian:~$ sudo ip link set dev eth0 master br0
dev@debian:~$ sudo bridge link
2: eth0 state UP : <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 master br0 state forwarding priority 32 cost 4
6: veth0 state UP : <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 master br0 state forwarding priority 32 cost 2
br0根本不区分接入进来的是物理设备还是虚拟设备，对它来说都一样的，都是网络设备，所以当eth0加入br0之后，落得和上面veth0一样的下场，从外面网络收到的数据包将无条件的转发给br0，自己变成了一根网线。
这时通过eth0来ping网关失败，但由于br0通过eth0这根网线连上了外面的物理交换机，所以连在br0上的设备都能ping通网关，这里连上的设备就是veth1和br0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。
#通过eth0来ping网关失败
dev@debian:~$ ping -c 1 -I eth0 192.168.3.1
PING 192.168.3.1 (192.168.3.1) from 192.168.3.21 eth0: 56(84) bytes of data.
From 192.168.3.21 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
--- 192.168.3.1 ping statistics ---
1 packets transmitted, 0 received, +1 errors, 100% packet loss, time 0ms
#通过br0来ping网关成功
dev@debian:~$ ping -c 1 -I br0 192.168.3.1
PING 192.168.3.1 (192.168.3.1) from 192.168.3.101 br0: 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.3.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=27.5 ms
--- 192.168.3.1 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 27.518/27.518/27.518/0.000 ms
#通过veth1来ping网关成功
dev@debian:~$ ping -c 1 -I veth1 192.168.3.1
PING 192.168.3.1 (192.168.3.1) from 192.168.3.102 veth1: 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.3.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=68.8 ms
--- 192.168.3.1 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 68.806/68.806/68.806/0.000 ms
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。
#在本人的测试机器上，由于eth0上有IP，
#访问192.168.3.0/24网段时，会优先选择eth0
dev@debian:~$ sudo route -v
Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
default 192.168.3.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 eth0
link-local * 255.255.0.0 U 1000 0 0 eth0
192.168.3.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 eth0
192.168.3.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 veth1
192.168.3.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 br0
#由于eth0已结接入了br0，所有它收到的数据包都会转发给br0，
#于是协议栈收不到arp应答包，导致ping失败
dev@debian:~$ ping -c 1 192.168.3.1
PING 192.168.3.1 (192.168.3.1) 56(84) bytes of data.
From 192.168.3.21 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
--- 192.168.3.1 ping statistics ---
1 packets transmitted, 0 received, +1 errors, 100% packet loss, time 0ms
#将eth0上的IP删除掉
dev@debian:~$ sudo ip addr del 192.168.3.21/24 dev eth0
#再ping一次，成功
dev@debian:~$ ping -c 1 192.168.3.1
PING 192.168.3.1 (192.168.3.1) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.3.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=3.91 ms
--- 192.168.3.1 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 3.916/3.916/3.916/0.000 ms
#这是因为eth0没有IP之后，路由表里面就没有它了，于是数据包会从veth1出去
dev@debian:~$ sudo route -v
Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
192.168.3.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 veth1
192.168.3.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 br0
#从这里也可以看出，由于原来的默认路由走的是eth0，所以当eth0的IP被删除之后，
#默认路由不见了，想要连接192.168.3.0/24以外的网段的话，需要手动将默认网关加回来
#添加默认网关，然后再ping外网成功
dev@debian:~$ sudo ip route add default via 192.168.3.1
dev@debian:~$ ping -c 1 baidu.com
PING baidu.com (111.13.101.208) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 111.13.101.208: icmp_seq=1 ttl=51 time=30.6 ms
--- baidu.com ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 30.690/30.690/30.690/0.000 ms
经过上面一系列的操作后，网络变成了这个样子：
+----------------------------------------------------------------+
| |
| +------------------------------------------------+ |
| | Newwork Protocol Stack | |
| +------------------------------------------------+ |
| ↑ ↑ |
|.........................|...........................|..........|
| ↓ ↓ |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | | | .3.101 | | | | .3.102| |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | eth0 |<--->| br0 |<--->| veth0 | | veth1 | |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| ↑ ↑ ↑ |
| | | | |
| | +------------+ |
| | |
+------------|---------------------------------------------------+
↓
Physical Network
上面的操作中有几点需要注意：
如果是在虚拟机上做上述操作，记得打开网卡的混杂模式（不是在Linux里面，而是在虚拟机的配置上面，如VirtualBox上相应虚拟机的网卡配置项里面），不然veth1的网络会不通，因为eth0不在混杂模式的话，会丢掉目的mac地址是veth1的数据包
上面虽然通了，但由于Linux下arp的特性，当协议栈收到外面的arp请求时，不管是问101还是102，都会回复两个arp应答，分别包含br0和veth1的mac地址，也即Linux觉得外面发给101和102的数据包从br0和veth1进协议栈都一样，没有区别。由于回复了两个arp应答，而外面的设备只会用其中的一个，并且具体用哪个会随着时间发生变化，于是导致一个问题，就是外面回复给102的数据包可能从101的br0上进来，即通过102 ping外面时，可能在veth1抓不到回复包，而在br0上能抓到回复包。说明数据流在交换机那层没有完全的隔离开，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，但不建议这么做，容易出错，调试比较麻烦。
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虚拟机想要上网的话，都必须依赖虚拟机管理软件（如VirtualBox）将每个虚拟机的网卡mac地址转成出口的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应答包的话，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。在上面的例子中，执行下面的命令即可：
dev@debian:~$ sudo ip link set dev veth1 down
#08:00:27:3b:0d:b9是eth0的mac地址
dev@debian:~$ sudo ip link set dev veth1 address 08:00:27:3b:0d:b9
dev@debian:~$ sudo ip link set dev veth1 up
bridge必须要配置IP吗？
在我们常见的物理交换机中，有可以配置IP和不能配置IP两种，不能配置IP的交换机一般通过com口连上去做配置（更简单的交换机连com口的没有，不支持任何配置），而能配置IP的交换机可以在配置好IP之后，通过该IP远程连接上去做配置，从而更方便。
bridge就属于后一种交换机，自带虚拟网卡，可以配置IP，该虚拟网卡一端连在bridge上，另一端跟协议栈相连。和物理交换机一样，bridge的工作不依赖于该虚拟网卡，但bridge工作不代表机器能连上网，要看组网方式。
删除br0上的IP:
dev@debian:~$ sudo ip addr del 192.168.3.101/24 dev br0
于是网络变成了这样子，相当于br0的一个端口通过eth0连着交换机，另一个端口通过veth0连着veth1：
+----------------------------------------------------------------+
| |
| +------------------------------------------------+ |
| | Newwork Protocol Stack | |
| +------------------------------------------------+ |
| ↑ |
|.....................................................|..........|
| ↓ |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | | | | | | | .3.102| |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| | eth0 |<--->| br0 |<--->| veth0 | | veth1 | |
| +------+ +--------+ +-------+ +-------+ |
| ↑ ↑ ↑ |
| | | | |
| | +------------+ |
| | |
+------------|---------------------------------------------------+
↓
Physical Network
ping网关成功，说明这种情况下br0不配置IP对通信没有影响，数据包还能从veth1出去：
dev@debian:~$ ping -c 1 192.168.3.1
PING 192.168.3.1 (192.168.3.1) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.3.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=1.24 ms
--- 192.168.3.1 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 1.242/1.242/1.242/0.000 ms
❝上面如果没有veth0和veth1的话，删除br0上的IP后，网络将会不通，因为没有设备和协议栈完全相连
bridge常用场景
上面通过例子展示了bridge的功能，但例子中的那种部署方式没有什么实际用途，还不如在一个网卡上配置多个IP地址来的直接。这里来介绍两种常见的部署方式。
虚拟机
虚拟机通过tun/tap或者其它类似的虚拟网络设备，将虚拟机内的网卡同br0连接起来，这样就达到和真实交换机一样的效果，虚拟机发出去的数据包先到达br0，然后由br0交给eth0发送出去，数据包都不需要经过host机器的协议栈，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)
docker
由于容器运行在自己单独的network namespace里面，所以都有自己单独的协议栈，情况和上面的虚拟机差不多，但它采用了另一种方式来和外界通信：
+----------------------------------------------------------------+-----------------------------------------+-----------------------------------------+
| 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)
容器中配置网关为.9.1，发出去的数据包先到达br0，然后交给host机器的协议栈，由于目的IP是外网IP，且host机器开启了IP forward功能，于是数据包会通过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转换（NAT转换和IP forward功能都需要自己配置）。由于要经过host机器的协议栈，并且还要做NAT转换，所以性能没有上面虚拟机那种方案好，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mac地址的问题，在无线网络环境下也工作良好）
❝上面两种部署方案中，同一网段的每个网卡都有自己单独的协议栈，所以不存在上面说的多个ARP的问题
❝原文链接：https://segmentfault.com/a/1190000009491002