Linux 虛擬網卡技術：Macvlan
1. Macvlan 簡介
在 Macvlan 出現(xiàn)之前，我們只能為一塊以太網卡添加多個 IP 地址，卻不能添加多個 MAC 地址，因為 MAC 地址正是通過其全球唯一性來標識一塊以太網卡的，即便你使用了創(chuàng)建 ethx:y 這樣的方式，你會發(fā)現(xiàn)所有這些“網卡”的 MAC 地址和 ethx 都是一樣的，本質上，它們還是一塊網卡，這將限制你做很多二層的操作。有了 Macvlan 技術，你可以這么做了。
Macvlan 允許你在主機的一個網絡接口上配置多個虛擬的網絡接口，這些網絡 interface 有自己獨立的 MAC 地址，也可以配置上 IP 地址進行通信。Macvlan 下的虛擬機或者容器網絡和主機在同一個網段中，共享同一個廣播域。Macvlan 和 Bridge 比較相似，但因為它省去了 Bridge 的存在，所以配置和調試起來比較簡單，而且效率也相對高。除此之外，Macvlan 自身也能很好的支持 VLAN。
同一 VLAN 間數(shù)據傳輸是通過二層互訪，即 MAC 地址實現(xiàn)的，不需要使用路由。不同 VLAN 的用戶單播默認不能直接通信，如果想要通信，還需要三層設備做路由，Macvlan 也是如此。用 Macvlan 技術虛擬出來的虛擬網卡，在邏輯上和物理網卡是對等的。物理網卡也就相當于一個交換機，記錄著對應的虛擬網卡和 MAC 地址，當物理網卡收到數(shù)據包后，會根據目的 MAC 地址判斷這個包屬于哪一個虛擬網卡。這也就意味著，只要是從 Macvlan 子接口發(fā)來的數(shù)據包(或者是發(fā)往 Macvlan 子接口的數(shù)據包)，物理網卡只接收數(shù)據包，不處理數(shù)據包，所以這就引出了一個問題：本機 Macvlan 網卡上面的 IP 無法和物理網卡上面的 IP 通信!關于這個問題的解決方案我們下一節(jié)再討論。
我們先來看一下 Macvlan 技術的流程示意圖：
簡單來說，Macvlan 虛擬網卡設備是寄生在物理網卡設備上的。發(fā)包時調用自己的發(fā)包函數(shù)，查找到寄生的物理設備，然后通過物理設備發(fā)包。收包時，通過注冊寄生的物理設備的 rx_handler 回調函數(shù)，處理數(shù)據包。
2. Macvlan vs Bridge
說到 Macvlan，就不得不提 Bridge，因為你可以把 Macvlan 看成一個簡單的 Bridge。但他們之間還是有很大的區(qū)別的。
Bridge
Bridge 實際上就是一種舊式交換機，他們之間并沒有很大的差別。Bridge 與交換機的區(qū)別在與市場，而不在與技術。交換機對網絡進行分段的方式與 Bridge 相同，交換機就是一個多端口的網橋。確切地說，高端口密度的 Bridge 就稱為局域網交換機。
Bridge 有以下特點：
- Bridge 是二層設備，僅用來處理二層的通訊。
- Bridge 使用 MAC 地址表來決定怎么轉發(fā)幀(Frame)。
- Bridge 會從 host 之間的通訊數(shù)據包中學習 MAC 地址。
- 可以是硬件設備，也可以是純軟件實現(xiàn)(例如：Linux Bridge)。
以下是一個在 Linux 主機上，多個 VM 使用 bridge 相互通訊的狀況：
Linux 主機中可以通過命令行工具 brctl 來查看 Bridge 的配置，該工具可以通過安裝軟件包 bridge-utils 來獲得。
- $ brctl show
- bridge name bridge id STP enabled interfaces
- br0 8000.080006ad34d1 no eth0
- veth0
- br1 8000.080021d2a187 no veth1
- veth2
Bridge 有可能會遇到二層環(huán)路，如有需要，你可以開啟 STP 來防止出現(xiàn)環(huán)路。
Macvlan
Macvlan 有以下特點：
- 可讓使用者在同一張實體網卡上設定多個 MAC 地址。
- 承上，帶有上述設定的 MAC 地址的網卡稱為子接口(sub interface);而實體網卡則稱為父接口(parent interface)。
- parent interface 可以是一個物理接口(eth0)，可以是一個 802.1q 的子接口(eth0.10)，也可以是 bonding 接口。
- 可在 parent/sub interface 上設定的不只是 MAC 地址，IP 地址同樣也可以被設定。
- sub interface 無法直接與 parent interface 通訊 (帶有 sub interface 的 VM 或容器無法與 host 直接通訊)。
- 承上，若 VM 或容器需要與 host 通訊，那就必須額外建立一個 sub interface 給 host 用。
- sub interface 通常以 mac0@eth0 的形式來命名以方便區(qū)別。
用張圖來解釋一下設定 Macvlan 后的樣子：
3. Macvlan 的工作模式
Macvlan 共支持四種模式，分別是：
VEPA(Virtual Ethernet Port Aggregator)
在 VEPA 模式下，所有從 Macvlan 接口發(fā)出的流量，不管目的地全部都發(fā)送給父接口，即使流量的目的地是共享同一個父接口的其它 Macvlan 接口。在二層網絡場景下，由于生成樹協(xié)議的原因，兩個 Macvlan 接口之間的通訊會被阻塞，這時需要上層路由器上為其添加路由(需要外部交換機配置 Hairpin 支持，即需要兼容 802.1Qbg 的交換機支持，其可以把源和目的地址都是本地 Macvlan 接口地址的流量發(fā)回給相應的接口)。此模式下從父接口收到的廣播包，會泛洪給 VEPA 模式的所有子接口。
現(xiàn)在大多數(shù)交換機都不支持 Hairpin 模式，但 Linux 主機中可以通過一種 Harpin 模式的 Bridge 來讓 VEPA 模式下的不同 Macvlan 接口通信(前文已經提到，Bridge 其實就是一種舊式交換機)。怎么配置呢?非常簡單，通過一條命令就可以解決：
- $ brctl hairpin br0 eth1 on
或者使用 iproute2 來設置：
- $ bridge link set dev eth0 hairpin on
如果你的內核是你手工編譯升級的，那么可能你的用戶態(tài)程序并不支持新內核對應的所有特性，也就是說你的 brctl 可能版本過老不支持 hairpin 命令，那么可以 sysfs 來搞定：
- $ echo 1 >/sys/class/net/br0/brif/eth1/hairpin_mode
在 Linux 主機上配置了 Harpin 模式之后，源和目的地址都是本地 Macvlan 接口地址的流量，都會被 br0(假設你創(chuàng)建的 Bridge 是 br0)發(fā)回給相應的接口。
如果想在物理交換機層面對虛擬機或容器之間的訪問流量進行優(yōu)化設定，VEPA 模式將是一種比較好的選擇。
VEPA 和 Passthru 模式下，兩個 Macvlan 接口之間的通信會經過主接口兩次：第一次是發(fā)出的時候，第二次是返回的時候。這樣會影響物理接口的寬帶，也限制了不同 Macvlan 接口之間通信的速度。如果多個 Macvlan 接口之間通信比較頻繁，對于性能的影響會比較明顯。
Bridge
此種模式類似 Linux 的 Bridge，擁有相同父接口的兩塊 Macvlan 虛擬網卡是可以直接通訊的，不需要把流量通過父網卡發(fā)送到外部網絡，廣播幀將會被泛洪到連接在"網橋"上的所有其他子接口和物理接口。這比較適用于讓共享同一個父接口的 Macvlan 網卡進行直接通訊的場景。
這里所謂的 Bridge 指的是在這些網卡之間，數(shù)據流可以實現(xiàn)直接轉發(fā)，不需要外部的協(xié)助，這有點類似于 Linux host 內建了一個 Bridge，即用 brctl 命令所做的那一切。但和 Linux bridge 絕不是一回事，它不需要學習 MAC 地址，也不需要 STP，因此效能比起使用 Linux bridge 好上很多。
Bridge 模式有個缺點：如果父接口 down 掉，所有的 Macvlan 子接口也會全部 down 掉，同時子接口之間也將無法進行通訊。
Private
此種模式相當于 VEPA 模式的增強模式，其完全阻止共享同一父接口的 Macvlan 虛擬網卡之間的通訊，即使配置了 Hairpin 讓從父接口發(fā)出的流量返回到宿主機，相應的通訊流量依然被丟棄。具體實現(xiàn)方式是丟棄廣播/多播數(shù)據，這就意味著以太網地址解析 arp 將不可運行，除非手工探測 MAC 地址，否則通信將無法在同一宿主機下的多個 Macvlan 網卡間展開。之所以隔離廣播流量，是因為以太網是基于廣播的，隔離了廣播，以太網將失去了依托。
Passthru
此種模式會直接把父接口和相應的MacVLAN接口捆綁在一起，這種模式每個父接口只能和一個 Macvlan 虛擬網卡接口進行捆綁，并且 Macvlan 虛擬網卡接口繼承父接口的 MAC 地址。
此種模式的優(yōu)點是虛擬機和容器可以更改 MAC 地址和其它一些接口參。
4. Macvlan 和 Bridge 的使用場景
最后我們再來討論一下 Macvlan 和 Bridge 的各自使用場景。
使用 Macvlan：
- 僅僅需要為虛擬機或容器提供訪問外部物理網絡的連接。
- Macvlan 占用較少的 CPU，同時提供較高的吞吐量。
- 當使用 Macvlan 時，宿主機無法和 VM 或容器直接進行通訊。
使用 Bridge：
- 當在同一臺宿主機上需要連接多個虛擬機或容器時。
- 對于擁有多個網橋的混合環(huán)境。
- 需要應用高級流量控制，F(xiàn)DB的維護。
5. Macvlan 的局限性
- Macvlan 是將 VM 或容器通過二層連接到物理網絡的近乎理想的方案，但它也有一些局限性：
- Linux 主機連接的交換機可能會限制同一個物理端口上的 MAC 地址數(shù)量。雖然你可以讓網絡管理員更改這些策略，但有時這種方法是無法實行的(比如你要去給客戶做一個快速的 PoC 演示)。
- 許多 NIC 也會對該物理網卡上的 MAC地址數(shù)量有限制。超過這個限制就會影響到系統(tǒng)的性能。
IEEE 802.11 不喜歡同一個客戶端上有多個 MAC 地址，這意味著你的 Macvlan 子接口在無線網卡或 AP 中都無法通信。可以通過復雜的辦法來突破這種限制，但還有一種更簡單的辦法，那就是使用 Ipvlan，感興趣可以自己查閱相關資料。
6. 總結
本文主要介紹了 Macvlan 的實現(xiàn)原理，比較了它和 Linux Bridge 模式之間的差異及其使用場景，還詳細剖析了 Macvlan 四種模式的工作原理和相關注意項。下一節(jié)我們將通過實際演練來模擬 Macvlan 的四種工作模式。
7. 參考資料
http://hicu.be/bridge-vs-macvlan
https://blog.csdn.net/ztguang/article/details/51854037
https://lists.linuxfoundation.org/pipermail/bridge/2009-November/006842.html
本文轉載自微信公眾號「 云原生實驗室」，轉載本文請聯(lián)系 云原生實驗室公眾號。
