Docker ネットワークの基礎 |仮想ネットワークデバイスペア（Veth）の原理

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この記事はWeChatの公開アカウント「Linux Kernel Things」から転載したもので、著者はsongsong001です。この記事を転載する場合は、Linux Kernel Matters パブリックアカウントにご連絡ください。

コンテナ化が普及しつつある今日、Docker はコンテナ界の寵児と言えるでしょう。かさばる仮想マシンと比較すると、Docker はツバメのように軽量です。もちろん、この記事では仮想マシンと Docker の長所と短所を紹介するのではなく、Docker ネットワークの重要なコンポーネントの 1 つを紹介します。

仮想ネットワークデバイスペア: veth

veth を紹介する前に、まずネットワーク名前空間を紹介しましょう。

ネットワーク名前空間

ネットワーク名前空間は、Linux カーネルによって、異なるコンテナ間のネットワークリソースを分離するために使用されます (各 Docker コンテナには独立したネットワーク名前空間があります)。ネットワーク名前空間は主に次のリソースを分離します。

iptables ルールテーブル
ルーティングルールテーブル
ネットワークデバイスリスト

次の図に示すように、システム内に 3 つのネットワーク名前空間がある場合:

異なるネットワーク名前空間は互いに分離されているため、直接通信することはできません。たとえば、IP アドレスが 172.17.42.1 のデバイスはネットワーク名前空間 A に設定されていますが、次の図に示すように、ネットワーク名前空間 B ではアクセスできません。

2 台のコンピューターの場合と同様に、ネットワークケーブルで接続されていないと、コンピューター同士は通信できません。そのため、Linux カーネルは、異なるネットワーク名前空間間の通信を解決するために、仮想ネットワークデバイスペア (veth) 機能を提供します。

仮想ネットワークデバイスペア (veth)

仮想ネットワークデバイスペアは、異なるネットワーク名前空間間の通信を解決するために使用され、ネットワークケーブルで接続された 2 つのネットワークカードとして表示できます。次の図に示すように、ネットワークカードの 1 つがネットワーク名前空間 A に配置され、もう 1 つのネットワークカードがネットワーク名前空間 B に配置されている限り、2 つの異なるネットワーク名前空間は通信できます。

上図に示すように、veth0 と veth1 は仮想ネットワークデバイスペアを形成します。仮想ネットワークデバイスペアはパイプのようなものです。データが一方の端に送信されれば、もう一方の端からデータを受信できます。

Docker は仮想ネットワークデバイスを使用して、異なるコンテナー間の通信を実装します。原則は次のとおりです。

上の図からわかるように、各コンテナは仮想ネットワークデバイスペアを介して直接接続されていません。代わりに、ホスト上に docker0 という名前のブリッジが作成され、各コンテナは仮想ネットワークデバイスペアを介してブリッジに接続されます。ブリッジは、実際のスイッチと同様に、複数のネットワークデバイスを接続する機能を備えています。

もちろん、この記事のテーマは veth の実装であり、ブリッジの実態ではないので、ブリッジの紹介はここで終わります。ご興味がございましたら、「Linux Bridge の動作原理と実装」の記事を参照してください。

仮想ネットワークデバイスペアの実装

Linux カーネルでは、ネットワークデバイスは net_device オブジェクトによって表されます。 veth は双方向通信を提供するため、これを実装するには 2 つの net_device オブジェクトが必要です。 net_device オブジェクトは非常に大きいため、この記事に関連するフィールドのみをここにリストします。

構造体net_device
 {
文字 名前[IFNAMSIZ];
    ...
    定数構造体net_device_ops *netdev_ops;
    ...
 }

これら 2 つのフィールドの機能について次に説明します。

name: eth0 などのデバイス名を保存するために使用されます。
netdev_ops: デバイスを初期化するためのインターフェース、デバイスをシャットダウンするためのインターフェース、データを送信するためのインターフェースなど、デバイス関連の操作インターフェースのリスト。

veth は 2 つの net_device オブジェクトで構成されているため、これら 2 つの net_device オブジェクトは互いへのポインターを持つ必要があります。しかし、コードを調べても、お互いを指すポインターは見つかりませんでした。カーネルは veth をどのように実装するのでしょうか?

Linux カーネルは、net_device オブジェクトを使用してネットワークデバイスを表しますが、異なるメーカーのネットワークデバイスは互いに異なる場合があります。 Linux カーネルをさまざまなネットワークデバイスに適応させるために、さまざまなネットワークデバイスにプライベートデータ用のストレージスペースが提供されます。

つまり、ネットワークデバイスには、net_device 部分に加えてプライベートデータ部分があります。ネットワークデバイスごとにプライベートデータ部分が異なり、ネットワークデバイスのプライベートデータ部分は通常、次の図に示すように、net_device オブジェクトの最後に保存されます。

上図は、PCMCIA ネットワークカードと RTL-8139 ネットワークカードに対応するプライベートデータ部分の保存場所を示しています。 PCMCIA ネットワークカードのプライベートデータ部分は pcnet_dev_t 構造体に対応し、RTL-8139 ネットワークカードのプライベートデータ部分は rtl8139_private 構造体に対応します。

話題に戻ると、仮想ネットワークデバイスペアのプライベートデータ部分は、次のように定義される veth_priv 構造体によって表されます。

構造体veth_priv{
    構造体net_device *ピア;
    構造体 veth_net_stats *統計;
    ...
 };

veth_priv 構造体の各フィールドの機能について次に説明します。

peer: 仮想ネットワークデバイスペアはネットワークデバイスのペアで構成されるため、このフィールドはペア内のもう一方のデバイスを指すために使用されます。
統計: 統計情報を保存するために使用されます。

veth_priv 構造から、次の図に示すように、仮想ネットワークデバイスペアに属する 2 つのデバイスオブジェクトが peer フィールドによって関連付けられていることがわかります。

1. 仮想ネットワークデバイスペアを作成する

ip コマンドを使用して仮想ネットワークデバイスのペアを作成すると、作成を完了するために veth_newlink 関数が呼び出されます。実装は次のとおりです。

静的 整数 
 veth_newlink(構造体net_device *dev、構造体nlattr *tb[]、構造体nlattr *data[])
 {
整数エラー;
    構造体net_device *ピア;
    構造体 veth_priv *priv;
 char ifname[IFNAMSIZ];
    ... 
 
    // 仮想ネットワークデバイスペアは2つのネットワークデバイスで構成されているため、
    // dev は仮想ネットワークデバイスペアのネットワークデバイスの 1 つです。
    // したがって、rtnl_create_link() を呼び出して別のネットワーク デバイスを作成し、それをピア変数に保存する必要があります。
    ピア = rtnl_create_link(dev_net(dev), ifname, &veth_link_ops, tbp);
    ... 
 
    priv = netdev_priv(dev); // devのプライベートデータ部分を取得する
    priv->peer = ピア; // ピアフィールドをピアにポイントする
 
    priv = netdev_priv(ピア); // ピアのプライベートデータ部分を取得する
    priv->peer = dev; // ピアフィールドをdevに向ける
 
 0を返します。
 }

上記のコードは合理化された後もメインロジックを保持するため、veth_newlink は主に次のタスクを実行します。

仮想ネットワークデバイスペアは 2 つのネットワークデバイスで構成されており、dev は仮想ネットワークデバイスペアのネットワークデバイスの 1 つであるため、rtnl_create_link 関数を呼び出して別のネットワークデバイスを作成し、それを peer 変数に保存する必要があります。
dev デバイスオブジェクトの peer フィールドをピアデバイスオブジェクトにポイントします。
ピアデバイスオブジェクトの peer フィールドを dev デバイスオブジェクトにポイントします。

このようにして、仮想ネットワークデバイスのペアの作成が完了します。

2. 仮想ネットワークデバイスペアを初期化する

もちろん、仮想ネットワークデバイスペアを作成する場合は、初期化も必要です。初期化プロセスは、次のように実装される veth_setup 関数によって完了します。

静的定数構造体net_device_ops veth_netdev_ops = {
    ...
    .ndo_start_xmit = veth_xmit、
    ...
 }; 
 
静的void veth_setup(構造体 net_device *dev)
 {
    ...
    dev->netdev_ops = &veth_netdev_ops;
    ...
 }

仮想ネットワークデバイスペアを初期化する際に最も重要なことは、その操作機能セットを設定することです。 net_device_ops 構造体は、ネットワークデバイスの操作機能セット構造体です。デバイスにデータが送信されると、デバイス操作機能セットの ndo_start_xmit メソッドがトリガーされます。

veth_setup 関数はこのメソッドを veth_xmit に設定します。つまり、仮想ネットワークデバイスペアの一方の端にデータを送信するときに、veth_xmit 関数が呼び出されてデータが送信されます。

3. 仮想ネットワークデバイスペアにデータを送信する

仮想ネットワークデバイスペアの一方の端にデータを送信する場合、送信プロセスを完了するために veth_xmit 関数が呼び出されます。これは次のように実装されます。

静的netdev_tx_t veth_xmit(構造体 sk_buff *skb、構造体 net_device *dev)
 {
    構造体net_device *rcv = NULL ;
    構造体 veth_priv *priv、*rcv_priv;
    ... 
 
    // データを送信するデバイスのピアデバイスを取得します
    priv = netdev_priv(dev);
    rcv = priv->peer;
    ... 
 
    skb->tstamp.tv64 = 0;
    skb->pkt_type = PACKET_HOST;
    // データパケットの受信デバイスをピアデバイスに設定する
    skb->プロトコル = eth_type_trans(skb, rcv);
    ... 
 
    // データパケットをカーネルプロトコルスタックに送信する
    netif_rx(skb); 
 
 NETDEV_TX_OK を返します。
 }