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什么？網(wǎng)卡也能虛擬化？
作者：CloudDeveloper 2019-04-17 18:04:10
云計算
虛擬化 今天要講的 macvlan 也是其中的一種，準確說這是一種網(wǎng)卡虛擬化的解決方案。因為 macvlan 這種技術(shù)能將 一塊物理網(wǎng)卡虛擬成多塊虛擬網(wǎng)卡 ，相當于物理網(wǎng)卡施展了 多重影分身之術(shù) ，由一個變多個。
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01 macvlan 簡介
前面的文章講過了幾種 Linux 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：tap/tun、veth-pair、bridge，它們本質(zhì)上是 Linux 系統(tǒng) 提供的網(wǎng)絡(luò)虛擬化解決方案，今天要講的 macvlan 也是其中的一種，準確說這是一種網(wǎng)卡虛擬化的解決方案。因為 macvlan 這種技術(shù)能將 一塊物理網(wǎng)卡虛擬成多塊虛擬網(wǎng)卡 ，相當于物理網(wǎng)卡施展了 多重影分身之術(shù) ，由一個變多個。
02 macvlan 的工作原理
macvlan 是 Linux kernel 支持的新特性，支持的版本有 v3.9-3.19 和 4.0+，比較穩(wěn)定的版本推薦 4.0+。它一般是以內(nèi)核模塊的形式存在，我們可以通過以下方法判斷當前系統(tǒng)是否支持：
- # modprobe macvlan
- # lsmod | grep macvlan
- macvlan 24576 0
如果***個命令報錯，或者第二個命令沒有返回，說明當前系統(tǒng)不支持 macvlan，需要升級內(nèi)核。
macvlan 這種技術(shù)聽起來有點像 VLAN，但它們的實現(xiàn)機制是完全不一樣的。macvlan 子接口和原來的主接口是完全獨立的，可以單獨配置 MAC 地址和 IP 地址，而 VLAN 子接口和主接口共用相同的 MAC 地址。VLAN 用來劃分廣播域，而 macvlan 共享同一個廣播域。
通過不同的子接口，macvlan 也能做到流量的隔離。macvlan 會根據(jù)收到包的目的 MAC 地址判斷這個包需要交給哪個虛擬網(wǎng)卡，虛擬網(wǎng)卡再把包交給上層的協(xié)議棧處理。
03 四種模式
根據(jù) macvlan 子接口之間的通信模式，macvlan 有四種網(wǎng)絡(luò)模式：
- private 模式
- vepa(virtual ethernet port aggregator) 模式
- bridge 模式
- passthru 模式
默認使用的是 vepa 模式。
3.1 private
這種模式下，同一主接口下的子接口之間彼此隔離，不能通信。即使從外部的物理交換機導(dǎo)流，也會被無情地丟掉。
3.2 vepa
這種模式下，子接口之間的通信流量需要導(dǎo)到外部支持 802.1Qbg/VPEA 功能的交換機上(可以是物理的或者虛擬的)，經(jīng)由外部交換機轉(zhuǎn)發(fā)，再繞回來。
注： 802.1Qbg/VPEA 功能簡單說就是交換機要支持 發(fā)夾(hairpin) 功能，也就是數(shù)據(jù)包從一個接口上收上來之后還能再扔回去。
3.3 bridge
這種模式下，模擬的是 Linux bridge 的功能，但比 bridge 要好的一點是每個接口的 MAC 地址是已知的，不用學(xué)習(xí)。所以，這種模式下，子接口之間就是直接可以通信的。
3.4 passthru
這種模式，只允許單個子接口連接主接口，且必須設(shè)置成混雜模式，一般用于子接口橋接和創(chuàng)建 VLAN 子接口的場景。
3.5 mactap
和 macvlan 相似的技術(shù)還有一種是 mactap。和 macvlan 不同的是，mactap 收到包之后不是交給協(xié)議棧，而是交給一個 tapX 文件，然后通過這個文件，完成和用戶態(tài)的直接通信。
04 實踐
在 Linux 系統(tǒng)下，創(chuàng)建 macvlan 的命令形式如下：
- ip link add link DEVICE name NAME type { macvlan | macvtap } mode { private | vepa | bridge |
- passthru [ nopromisc ] }
通常，單獨使用 macvlan 毫無意義，一般都是結(jié)合 VM 和容器來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。下面我們就簡單使用 namespace 來看看 Linux 是怎么使用 macvlan 的。
實驗拓撲如下：
在我的系統(tǒng)中，以接口 enp0s8 為例創(chuàng)建兩個 macvlan 子接口(使用 bridge 模式)，配置 IP 并將其掛到兩個 namespace 中，測試連通性。
- # 創(chuàng)建兩個 macvlan 子接口
- ip link add link enp0s8 dev mac1 type macvlan mode bridge
- ip link add link enp0s8 dev mac2 type macvlan mode bridge
- # 創(chuàng)建兩個 namespace
- ip netns add ns1
- ip netns add ns2
- # 將兩個子接口分別掛到兩個 namespace 中
- ip link set mac1 netns ns1
- ip link set mac2 netns ns2
- # 配置 IP 并啟用
- ip netns exec ns1 ip a a 192.168.56.122/24 dev mac1
- ip netns exec ns1 ip l s mac1 up
- ip netns exec ns1 ip a a 192.168.56.123/24 dev mac2
- ip netns exec ns2 ip l s mac2 up
注： enp0s8 的 IP 是 192.168.56.110/24，配置的子接口 IP 也必須是同一網(wǎng)段的。
完了兩個子接口 ping 一下：
- root@ubuntu:~# ip netns exec ns1 ip a show mac1
- 9: mac1@if3: mtu 1500 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1
- link/ether 2e:6e:d9:08:c5:05 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
- inet 192.168.56.122/24 scope global mac1
- valid_lft forever preferred_lft forever
- inet6 fe80::2c6e:d9ff:fe08:c505/64 scope link
- valid_lft forever preferred_lft forever
- root@ubuntu:~# ip netns exec ns1 ping 192.168.56.123
- PING 192.168.56.123 (192.168.56.123) 56(84) bytes of data.
- 64 bytes from 192.168.56.123: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.052 ms
- 64 bytes from 192.168.56.123: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.028 ms
- ^C
- --- 192.168.56.123 ping statistics ---
- 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1000ms
- rtt min/avg/max/mdev = 0.028/0.040/0.052/0.012 ms
可以看到，能夠 ping 通，如果把上面的 mode 換成其他模式就行不通了，這個就留給大家去實驗了(默認是 vepa 模式)。
另外，在 docker 中，macvlan 是一種較為重要的跨主機網(wǎng)絡(luò)模型，這塊的內(nèi)容就留作下篇文章再做講解了。
05 總結(jié)
macvlan 是一種網(wǎng)卡虛擬化技術(shù)，能夠?qū)⒁粡埦W(wǎng)卡虛擬出多張網(wǎng)卡。
macvlan 的四種通信模式，常用模式是 bridge。
思考一下：
- macvlan bridge 和 bridge 的異同點?
- 還有一種類似的技術(shù)，多張?zhí)摂M網(wǎng)卡共享相同 MAC 地址，但有獨立的 IP 地址，這是什么技術(shù)?
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