《趣谈网络协议》学习笔记 -- 第24讲

Jmmtmingrui
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食用说明：在找《趣谈网络协议》的学习笔记时候，感觉大家可能都是在看刘超老师的pdf文稿，按照新人小白喜欢记录的特性，来记录一下自己的学习笔记（会记录一些大佬的评论），从24讲开始，前面的会慢慢更新，尽量保持一天一讲的更新频率（本人非科班生，对于网络协议有理解不到位的和错误的，希望大佬多多指点，拜谢大佬们）

第24讲 云中网络：自己拿地成本高，购买公寓更灵活

一、 从物理机到虚拟机

为什么要从物理机到虚拟机

传统数据中心直接维持物理机存在问题 ：

  1. 采购不灵活：需要自己采购、上架、插网线、安装操作系统，周期长，而且一旦采购了不能退货
  2. 运维不灵活：需要扩容CPU、内存、硬盘，都需要要去机房手动去配置，麻烦
  3. 规格不灵活：采购的机器往往规格和需要的配置不匹配，而且很多应用混合部署在上面，端口容易冲突，容易互相影响
  4. 复用不灵活：当机器转接客户的时候，需要重装操作系统

为了解决这些问题，云计算利用虚拟化技术，在强大的物理机内部“切出”多台虚拟机（就像买卖/租赁公寓）。虚拟机按需分配CPU、内存和网络，即开即用，随用随删。

  • qemu-kvm：emu是Emulator（模拟器）的意思，Linux环境下主流的开源硬件虚拟化技术。它就像一个“高级模拟器（骗子）”，通过软件层面向虚拟机汇报“你有独立的CPU、内存、网卡”，但实际上所有资源都是按比例向底层的物理机申请的。

二、 虚拟网卡的原理

虚拟网卡原理

虚拟网卡原理.png

  1. 首先虚拟机需要有一张网卡，对于qemu-kvm来说，是通过Linux上的TUN/TAP技术实现的
  2. 虚拟机是在物理机跑着的软件， 虚拟机打开称为TUN/TAP的Char Dev（字符设备文件），之后就能在物理机上看到一张虚拟网卡
  3. 网络包就往虚拟机里面发
  4. 网络包 —> 虚拟机—> 网络包转换成文件流 —> 写入字符设备 —> TUN/TAP字符设备驱动接收写入的文件流 —> 交给TUN/TAP的虚拟网卡驱动 —> 驱动将文件流转换成网络包 —> TCP/IP协议栈 — > 最终从虚拟TAP网卡中发出来，成为标准网络包
  • TUN/TAP 设备：Linux内核实现的一种纯软件的网络设备。其中 TAP 工作在二层（数据链路层，有MAC地址），相当于模拟了一张普通的网卡。
  • 字符设备文件 (Char Dev) ：Linux哲学是“一切皆文件”。虚拟网卡在操作系统里被具象化为一个字符设备文件。虚拟机发数据，本质上就是在向这个文件写入字节流。

三、 虚拟网卡连接到云中

为了让虚拟机能正常工作，云网络必须解决四大需求：共享（共用物理网卡）、互通（互相能通信）、隔离（租户间互不干扰）、灵活（随意增删改）。

1. 共享与互通问题

共享与互通问题.png

多个虚拟机怎么互通并上网？需要引入“虚拟交换机”来连接它们。主要有三种连通方式：

  1. Host-only（仅主机） ：所有虚拟机连在同一个虚拟交换机上，彼此互通，但完全与外界物理网络断开（类似大学宿舍的纯内网打局域网游戏）。

  2. 桥接模式 (Bridge) ：将虚拟机的网卡和物理机的真实网卡，一起“插”在虚拟交换机上。物理机和虚拟机被拉平到了同一个物理网段。

    • 缺点：如果虚拟机太多，会引发全网的广播风暴。

  3. NAT 模式 (网络地址转换) ：虚拟机连在虚拟交换机上，形成一个独立的内网（有自己的DHCP分配IP）。物理机充当“家用路由器”，把虚拟机的内网IP转换成物理机的公网IP去访问外网。

局域网连接

局域网连接.png 可以通过 Linux 命令 brctl 创建虚拟的网桥brctl addbr br0, 创建出来以后，将两个虚拟机的虚拟网卡，都连接到虚拟网桥brctl addif br0 tap0上，这样将两个虚拟机配置相同的子网网段，两台虚拟机就能够相互通信了。

外网连接

  • 桥接(Bridge)

    桥接.png

    • 桥接模式下，虚拟机和笔记本电脑的都在同一IP网段下

      桥接网络打平.png

    • 在数据中心中，采取类似的技术，都是Linux系统，每台机器都创建网桥和br0，虚拟机的网卡都连接到br0上，物理网卡也连接到br0上，所有的br0都通过物理网卡来连接到物理交换机上

      桥接数据中心.png

    • 网络打平， 虚拟机和物理网络会有同样的IP网段

      桥接数据中心网络打平.png

    • 广播问题，需要通过VLAN（数据链路层）进行划分，

  • 另外一种方式为NAT（网络层），在这种情况下，登录到虚拟机里面查看IP地址，会发现虚拟机的网络是虚拟机的，物理机的网络是物理机的，两个不相同。虚拟机要想访问物理机的时候，需要将地址NAT成为物理机的地址。

    NAT网络层.png

    • 还会在你的笔记本电脑里内置一个DHCP服务器，为笔记本电脑上的虚拟机动态分配IP地址。因为虚拟机的网络自成体系，需要进行IP管理。为什么桥接方式不需要呢？因为桥接将网络打平了，虚拟机的IP地址应该由物理网络的DHCP服务器分配。

    • 数据中心中也是类似的方式，

      虚拟机是你的电脑，路由器和DHCP Server相当于家用路由器或者寝室长的电脑，物理网卡相当于你们宿舍的外网网口，用于访问互联网。所有电脑都通过内网网口连接到一个网桥br0上，虚拟机要想访问互联网，需要通过br0连到路由器上，然后通过路由器将请求NAT成为物理网络的地址，转发到物理网络

      NAT数据中心.png

    • 如果是你自己登录到物理机上做个简单配置，你可以简化一下。

      例如将虚拟机所在网络的网关的地址直接配置到br0上，不用DHCP Server，手动配置每台虚拟机的IP地址，通过命令iptables -t nat -A POSTROUTING -o ethX -j MASQUERADE，直接在物理网卡ethX上进行NAT，所有从这个网卡出去的包都NAT成这个网卡的地址。通过设置net.ipv4.ip_forward = 1，开启物理机的转发功能，直接做路由器，而不用单独的路由器，这样虚拟机就能直接上网了。

      NAT个人.png

  • 虚拟网桥 (br0) ：通过Linux命令（如 brctl）创建出来的虚拟交换机。把虚拟机的TAP网卡挂载到 br0 上，它们就在物理上连通了。

2. 隔离问题

如果一台机器上的两个虚拟机不属于同一个用户，怎么办呢？

brctl创建的网桥也是支持VLAN功能的，可以设置两个虚拟机的tag，这样在这个虚拟网桥上，两个虚拟机是不互通的。

如何跨物理机互通，并且实现VLAN的隔离呢？

brctl创建的网桥上面的tag是没办法在网桥之外的范围内起作用的，因此我们需要寻找其他的方式。

有一个命令vconfig，可以基于物理网卡eth0创建带VLAN的虚拟网卡，所有从这个虚拟网卡出去的包，都带这个VLAN，如果这样，跨物理机的互通和隔离就可以通过这个网卡来实现。

  1. 首先为每个用户分配不同的VLAN，例如有一个用户VLAN 10，一个用户VLAN 20。在一台物理机上，基于物理网卡，为每个用户用vconfig创建一个带VLAN的网卡。不同的用户使用不同的虚拟网桥，带VLAN的虚拟网卡也连接到虚拟网桥上。
  2. 不同的用户由于网桥不通，不能相互通信，一旦出了网桥，由于VLAN不同，也不会将包转发到另一个网桥上。
  3. 出了物理机，也是带着VLAN ID的。只要物理交换机也是支持VLAN的，到达另一台物理机的时候，VLAN ID依然在，它只会将包转发给相同VLAN的网卡和网桥，所以跨物理机，不同的VLAN也不会相互通信。

物理VLAN隔离.png

使用brctl创建出来的网桥功能是简单的，基于VLAN的虚拟网卡也能实现简单的隔离。但是这都不是大规模云平台能够满足的，一个是VLAN的隔离，数目太少。VLAN ID只有4096个, 另外一点是这个配置不够灵活。

  • vconfig 命令：Linux中用来配置 VLAN 的命令，可以基于物理网卡虚拟出带有特定 VLAN Tag 的子网卡。

四、 小结

本节课核心脉络梳理：

  1. 云计算网络的核心基石是虚拟化，其网卡通信原理是借助 TUN/TAP 字符设备实现虚拟机内外数据的中转。
  2. 云网络必须关注共享、隔离、互通、灵活四大痛点。
  3. 互通主要有桥接和 NAT 两种流派，安全隔离最基础的实现方案是打 VLAN 标签。

五、 思考题深度解析

  • 思考题 1：在数据中心里面，有一款著名的开源软件 OpenStack，这一节讲的网络连通方式对应 OpenStack 中的哪些模型呢？

    【深度解析】

    OpenStack 是搭建私有云的霸主，它的网络模型（Nova-network / Neutron）与我们课上讲的底层原理高度对应：

    1. Flat 模式：对应课上讲的桥接模式 (Bridge) 。虚拟机直接和物理机处于同一网段，由物理网络的真实 DHCP 服务器分配 IP。
    2. Flat DHCP 模式：依然是桥接的思想，但是由 OpenStack 自己在虚拟网桥（br0）上起一个 dnsmasq 进程（充当 DHCP 服务器）来给虚拟机分配 IP。
    3. VLAN 模式：对应课上讲的桥接模式 + VLAN 隔离。利用 vconfig 划分不同的 VLAN 来实现多租户隔离。
    4. (扩展) VPC (虚拟私有云) ：对应课上讲的 NAT 模式组合。每个租户可以在自己独立的网络里折腾，最后通过 OpenStack 上的虚拟路由器（vRouter，本质是用 iptables 做的 NAT 转发）连通外部网络（Floating IP 机制）。

  • 思考题 2：本节提到的网络配置方式比较不灵活，你知道什么更加灵活的方式吗？

    【深度解析】

    课文末尾提到，传统的 VLAN 只有 4096 个 ID 限制（远远不够大型云平台用），并且使用 brctl 和物理交换机绑定太死板。更灵活的方式是：

    1. SDN (软件定义网络) 与 Open vSwitch (OVS) ：淘汰掉简单的 br0 网桥，改用 OVS（一款强大的企业级虚拟交换机）。OVS 支持复杂的流表（Flow Table），可以通过控制器写代码来“编程”决定网络包该怎么走，指哪打哪，极其灵活。
    2. 大二层网络技术 (如 VXLAN / GRE) ：为了突破 4096 的限制，云厂商演进出了 VXLAN 技术。它把虚拟机的二层网络包，伪装封装成物理机的 UDP（三层）数据包发送出去，到了目标机器再解包。这使得云平台支持多达 1600 万个租户的网络隔离，且虚拟机可以在整个数据中心自由迁移，IP地址不变。这也就是专栏后续章节即将拉开的帷幕。
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