Linux/Netzwerk/Virtuelle Schnittstelle

Virtuelle Schnittstelle - Virtuelle Netzwerkschnittstelle

Beschreibung

Schnittstellen für virtuelle Netzwerke

Linux verfügt über umfangreiche virtuelle Netzwerkfunktionen, die als Grundlage für das Hosting von VMs und Containern sowie für Cloud-Umgebungen verwendet werden

• In diesem Beitrag gebe ich eine kurze Einführung in alle häufig verwendeten virtuellen Netzwerkschnittstellentypen
• Es gibt keine Code-Analyse, nur eine kurze Einführung in die Schnittstellen und ihre Verwendung unter Linux
• Für alle, die sich mit Netzwerken auskennen, könnte dieser Blog-Beitrag interessant sein
• Eine Liste der Schnittstellen kann mit dem Befehl ip link help abgerufen werden

Dieser Beitrag behandelt die folgenden häufig verwendeten Schnittstellen und einige Schnittstellen, die leicht miteinander verwechselt werden können

Option	Beschreibung
Brücke
Gebundene Schnittstelle
Team-Gerät
VLAN	Virtuelles LAN
VXLAN	Virtuelles eXtensible Local Area Network
MACVLAN
IPVLAN
MACVTAP/IPVTAP
MACsec	Sicherheit der Medienzugriffskontrolle
VETH	Virtuelles Ethernet
VCAN	Virtueller CAN
VXCAN	Virtueller CAN-Tunnel
IPOIB	IP-über-InfiniBand
NLMON	NetLink MONitor
Dummy
IFB	Intermediate Functional Block
netdevsim

Nach der Lektüre dieses Artikels werden Sie wissen, was diese Schnittstellen sind, was der Unterschied zwischen ihnen ist, wann sie zu verwenden sind und wie man sie erstellt

• Für andere Schnittstellen wie Tunnel lesen Sie bitte An introduction to Linux virtual interfaces: Tunnels

Brücke

Eine Linux-Bridge verhält sich wie ein Netzwerk-Switch

• Sie leitet Pakete zwischen Schnittstellen weiter, die mit ihr verbunden sind
• Sie wird normalerweise für die Weiterleitung von Paketen auf Routern, Gateways oder zwischen VMs und Netzwerk-Namespaces auf einem Host verwendet
• Sie unterstützt auch STP, VLAN-Filter und Multicast-Snooping

Verwenden Sie eine Bridge, wenn Sie Kommunikationskanäle zwischen VMs, Containern und Ihren Hosts einrichten möchten

So erstellen Sie eine Bridge

ip link add br0 type bridge
ip link set eth0 master br0
ip link set tap1 master br0
ip link set tap2 master br0
ip link set veth1 master br0

Dadurch wird ein Bridge-Gerät mit dem Namen br0 erstellt und zwei TAP-Geräte (tap1, tap2), ein VETH-Gerät (veth1) und ein physisches Gerät (eth0) als seine Slaves festgelegt, wie in der obigen Abbildung dargestellt

Gebundene Schnittstelle

Der Linux-Bonding-Treiber bietet eine Methode, um mehrere Netzwerkschnittstellen zu einer einzigen logischen "gebundenen" Schnittstelle zusammenzufassen

• Das Verhalten der gebondeten Schnittstelle hängt vom Modus ab; im Allgemeinen bieten die Modi entweder Hot-Standby- oder Lastausgleichsdienste

Verwenden Sie eine gebondete Schnittstelle, wenn Sie die Verbindungsgeschwindigkeit erhöhen oder einen Failover auf Ihrem Server durchführen möchten

So erstellen Sie eine gebondete Schnittstelle

ip link add bond1 type bond miimon 100 mode active-backup
ip link set eth0 master bond1
ip link set eth1 master bond1

Damit wird eine bonded-Schnittstelle namens bond1 mit dem Modus active-backup erstellt

• Für andere Modi lesen Sie bitte die Kernel-Dokumentation

Team-Gerät

Ähnlich wie eine gebundene Schnittstelle dient ein Teamdevice dazu, mehrere NICs (Ports) auf der L2-Schicht zu einem logischen Gerät (Teamdev) zusammenzufassen

Das Wichtigste ist, dass ein Teamdevice nicht versucht, eine gebondete Schnittstelle zu replizieren oder zu imitieren

• Vielmehr wird dasselbe Problem mit einem anderen Ansatz gelöst, z. B. mit einem schlosslosen (RCU) TX/RX-Pfad und einem modularen Design

Es gibt aber auch einige funktionale Unterschiede zwischen einer gebondeten Schnittstelle und einem Team

• So unterstützt ein Team beispielsweise LACP-Lastausgleich, NS/NA (IPV6)-Link-Überwachung, D-Bus-Schnittstelle usw., die bei Bonding nicht vorhanden sind
• Weitere Einzelheiten zu den Unterschieden zwischen Bonding und Team finden Sie unter Bonding vs. Team-Funktionen

Verwenden Sie ein Team, wenn Sie einige Funktionen nutzen möchten, die Bonding nicht bietet

So erstellen Sie ein Team

teamd -o -n -U -d -t team0 -c '{"runner": {"name": "activebackup"}, "link_watch": {"name": "ethtool"}}'
ip link set eth0 down
ip link set eth1 down
teamdctl team0 port add eth0
teamdctl team0 port add eth1

Dadurch wird eine Team-Schnittstelle namens team0 mit dem Modus active-backup erstellt, und eth0 und eth1 werden als Sub-Schnittstellen von team0 hinzugefügt

Ein neuer Treiber namens net_failover wurde kürzlich zu Linux hinzugefügt

• Er ist ein weiteres Failover-Master-Netzgerät für die Virtualisierung und verwaltet ein primäres (Passthru/VF [Virtual Function]-Gerät ) Slave-Netzgerät und ein Standby-Slave-Netzgerät (die ursprüngliche paravirtuelle Schnittstelle)

VLAN

Ein VLAN, auch bekannt als virtuelles LAN, trennt Broadcast-Domänen durch Hinzufügen von Tags zu Netzwerkpaketen

• VLANs ermöglichen es Netzwerkadministratoren, Hosts unter demselben Switch oder zwischen verschiedenen Switches zu gruppieren

Der VLAN-Header sieht wie folgt aus

Verwenden Sie ein VLAN, wenn Sie Subnetze in VMs, Namespaces oder Hosts trennen möchten

So erstellen Sie ein VLAN

ip link add link eth0 name eth0.2 type vlan id 2
ip link add link eth0 name eth0.3 type vlan id 3

Dies fügt VLAN 2 mit dem Namen eth0.2 und VLAN 3 mit dem Namen eth0.3 hinzu

• Die Topologie sieht wie folgt aus

Hinweis

Wenn Sie ein VLAN konfigurieren, müssen Sie sicherstellen, dass der mit dem Host verbundene Switch in der Lage ist, VLAN-Tags zu verarbeiten, z. B. indem Sie den Switch-Port auf den Trunk-Modus einstellen

VXLAN

VXLAN (Virtual eXtensible Local Area Network) ist ein Tunneling-Protokoll, das entwickelt wurde, um das Problem der begrenzten VLAN-IDs (4.096) in IEEE 802.1q zu lösen

• Es ist im IETF RFC 7348 beschrieben

Mit einer 24-Bit-Segment-ID, auch bekannt als VXLAN Network Identifier (VNI), ermöglicht VXLAN bis zu 2^24 (16.777.216) virtuelle LANs, was dem 4.096-fachen der VLAN-Kapazität entspricht

VXLAN kapselt Layer-2-Frames mit einem VXLAN-Header in ein UDP-IP-Paket ein, das wie folgt aussieht

VXLAN wird normalerweise in Rechenzentren auf virtualisierten Hosts eingesetzt, die über mehrere Racks verteilt sein können

So verwenden Sie VXLAN

ip link add vx0 type vxlan id 100 local 1.1.1.1 remote 2.2.2.2 dev eth0 dstport 4789

Als Referenz können Sie die VXLAN-Kernel-Dokumentation oder diese VXLAN-Einführung lesen

MACVLAN

Mit VLAN können Sie mehrere Schnittstellen zusätzlich zu einer einzigen erstellen und Pakete auf der Grundlage eines VLAN-Tags filtern

• Mit MACVLAN können Sie mehrere Schnittstellen mit unterschiedlichen Layer-2-Adressen (d. h. Ethernet-MAC-Adressen) zusätzlich zu einer einzigen Schnittstelle erstellen

Vor MACVLAN mussten Sie, wenn Sie von einer VM oder einem Namensraum aus eine Verbindung zu einem physischen Netzwerk herstellen wollten, TAP/VETH-Geräte erstellen und eine Seite an eine Bridge anschließen und gleichzeitig eine physische Schnittstelle an die Bridge auf dem Host anschließen, wie unten dargestellt

Mit MACVLAN können Sie nun eine physische Schnittstelle, die mit einem MACVLAN verbunden ist, direkt an Namespaces binden, ohne dass eine Bridge erforderlich ist

Es gibt fünf MACVLAN-Typen

1. Private: Erlaubt keine Kommunikation zwischen MACVLAN-Instanzen auf derselben physischen Schnittstelle, selbst wenn der externe Switch den Hairpin-Modus unterstützt
2. VEPA: Daten von einer MACVLAN-Instanz zu einer anderen auf derselben physischen Schnittstelle werden über die physische Schnittstelle übertragen
   • Entweder muss der angeschlossene Switch den Hairpin-Modus unterstützen oder es muss ein TCP/IP-Router vorhanden sein, der die Pakete weiterleitet, um die Kommunikation zu ermöglichen
3. Bridge: Alle Endpunkte sind mit einer einfachen Bridge über die physische Schnittstelle direkt miteinander verbunden
4. Passthru: Eine einzelne VM kann direkt mit der physischen Schnittstelle verbunden werden
5. Quelle: Der Quellmodus wird zum Filtern des Datenverkehrs auf der Grundlage einer Liste zulässiger MAC-Quelladressen verwendet, um MAC-basierte VLAN-Zuordnungen zu erstellen
   • Bitte beachten Sie die Commit-Meldung

Der Typ wird je nach den verschiedenen Anforderungen gewählt

• Der Bridge-Modus ist der am häufigsten verwendete

Verwenden Sie ein MACVLAN, wenn Sie von Containern aus eine direkte Verbindung zu einem physischen Netzwerk herstellen möchten

So richten Sie ein MACVLAN ein

 # ip link add macvlan1 link eth0 type macvlan mode bridge
 # ip link add macvlan2 link eth0 type macvlan mode bridge
 # ip netns add net1
 # ip netns add net2
 # ip link set macvlan1 netns net1
 # ip link set macvlan2 netns net2

Dadurch werden zwei neue MACVLAN-Geräte im Bridge-Modus erstellt und diese zwei Geräte zwei verschiedenen Namensräumen zugewiesen

IPVLAN

IPVLAN ist ähnlich wie MACVLAN, mit dem Unterschied, dass die Endpunkte dieselbe MAC-Adresse haben

IPVLAN unterstützt die Modi L2 und L3

• Der L2-Modus von IPVLAN verhält sich wie ein MACVLAN im Bridge-Modus
• Die übergeordnete Schnittstelle sieht wie eine Brücke oder ein Switch aus

Im IPVLAN L3-Modus verhält sich die übergeordnete Schnittstelle wie ein Router und die Pakete werden zwischen den Endpunkten weitergeleitet, was eine bessere Skalierbarkeit ermöglicht

In der IPVLAN-Kerneldokumentation heißt es, dass MACVLAN und IPVLAN "in vielerlei Hinsicht sehr ähnlich sind und der spezifische Anwendungsfall sehr wohl bestimmen kann, welches Gerät zu wählen ist

(a) Der Linux-Host, der mit dem externen Switch/Router verbunden ist, hat eine Richtlinie konfiguriert, die nur einen Mac pro Port erlaubt

(b) Die Anzahl der auf einem Master erstellten virtuellen Geräte übersteigt die Mac-Kapazität und versetzt die Netzwerkkarte in den Promiscuous-Modus, so dass Leistungseinbußen zu befürchten sind

(c) Wenn das Slave-Gerät in den feindlichen / nicht vertrauenswürdigen Netzwerk-Namensraum gesetzt werden soll, wo L2 auf dem Slave geändert / missbraucht werden könnte

So richten Sie eine IPVLAN-Instanz ein

# ip netns add ns0
# ip link add name ipvl0 link eth0 type ipvlan mode l2
# ip link set dev ipvl0 netns ns0

Dadurch wird ein IPVLAN-Gerät mit dem Namen ipvl0 und dem Modus L2 erstellt, das dem Namensraum ns0 zugeordnet ist

MACVTAP/IPVTAP

MACVTAP/IPVTAP ist ein neuer Gerätetreiber, der virtualisierte überbrückte Netzwerke vereinfachen soll

• Wenn eine MACVTAP/IPVTAP-Instanz auf einer physischen Schnittstelle erstellt wird, erstellt der Kernel auch ein Zeichengerät/dev/tapX, das genau wie ein TUN/TAP-Gerät verwendet werden kann, das direkt von KVM/QEMU verwendet werden kann

Mit MACVTAP/IPVTAP können Sie die Kombination von TUN/TAP- und Bridge-Treibern durch ein einziges Modul ersetzen

Typischerweise wird MACVLAN/IPVLAN verwendet, um sowohl den Gast als auch den Host direkt auf dem Switch erscheinen zu lassen, mit dem der Host verbunden ist

• Der Unterschied zwischen MACVTAP und IPVTAP ist der gleiche wie bei MACVLAN/IPVLAN

So erstellen Sie eine MACVTAP-Instanz

# ip link add link eth0 name macvtap0 type macvtap

MACsec

MACsec (Media Access Control Security) ist ein IEEE-Standard für die Sicherheit in verkabelten Ethernet-LANs. Ähnlich wie IPsec kann MACsec als Layer-2-Spezifikation nicht nur den IP-Verkehr, sondern auch ARP, Nachbarschaftserkennung und DHCP schützen

• Die MACsec-Header sehen wie folgt aus

Der Hauptanwendungsfall für MACsec ist die Sicherung aller Nachrichten in einem Standard-LAN, einschließlich ARP-, NS- und DHCP-Nachrichten

So richten Sie eine MACsec-Konfiguration ein

# ip link add macsec0 link eth1 type macsec

Hinweis

Dies fügt nur ein MACsec-Gerät namens macsec0 an der Schnittstelle eth1 hinzu

• Für detailliertere Konfigurationen lesen Sie bitte den Abschnitt "Konfigurationsbeispiel" in dieser MACsec-Einführung von Sabrina Dubroca

VETH

Das VETH-Gerät (Virtual Ethernet) ist ein lokaler Ethernet-Tunnel

• Die Geräte werden paarweise erstellt, wie in der Abbildung unten dargestellt

Pakete, die auf einem Gerät des Paares gesendet werden, werden sofort auf dem anderen Gerät empfangen

• Wenn eines der beiden Geräte ausfällt, ist der Verbindungsstatus des Paares gestört

Verwenden Sie eine VETH-Konfiguration, wenn Namespaces mit dem Haupt-Host-Namespace oder untereinander kommunizieren müssen

So richten Sie eine VETH-Konfiguration ein

# ip netns add net1
# ip netns add net2
# ip link add veth1 netns net1 type veth peer name veth2 netns net2

Dadurch werden zwei Namensräume, net1 und net2, und ein Paar VETH-Geräte erstellt, und veth1 wird dem Namensraum net1 und veth2 dem Namensraum net2 zugewiesen

• Diese beiden Namespaces sind mit diesem VETH-Paar verbunden
• Weisen Sie ein Paar IP-Adressen zu, und Sie können zwischen den beiden Namespaces pingen und kommunizieren

VCAN

Ähnlich wie die Netzwerk-Loopback-Geräte bietet der VCAN (Virtual CAN)-Treiber eine virtuelle lokale CAN (Controller Area Network)-Schnittstelle, so dass Benutzer CAN-Nachrichten über eine VCAN-Schnittstelle senden/empfangen können

• CAN wird heutzutage hauptsächlich im Automobilbereich eingesetzt

Weitere Informationen zum CAN-Protokoll finden Sie in der Kernel-CAN-Dokumentation

Verwenden Sie einen VCAN, wenn Sie eine CAN-Protokollimplementierung auf dem lokalen Host testen möchten

So erstellen Sie einen VCAN

# ip link add dev vcan1 type vcan

VXCAN

Ähnlich wie der VETH-Treiber implementiert ein VXCAN (Virtual CAN tunnel) einen lokalen CAN-Verkehrstunnel zwischen zwei VCAN-Netzwerkgeräten

• Wenn Sie eine VXCAN-Instanz erstellen, werden zwei VXCAN-Geräte als Paar erstellt
• Wenn ein Ende ein Paket empfängt, erscheint das Paket auf dem Paar des Geräts und umgekehrt
• VXCAN kann für die namensraumübergreifende Kommunikation verwendet werden

Verwenden Sie eine VXCAN-Konfiguration, wenn Sie CAN-Nachrichten über Namespaces hinweg senden wollen

So richten Sie eine VXCAN-Instanz ein

# ip netns add net1
# ip netns add net2
# ip link add vxcan1 netns net1 type vxcan peer name vxcan2 netns net2

Hinweis

VXCAN wird in Red Hat Enterprise Linux noch nicht unterstützt

IPOIB

Ein IPOIB-Gerät unterstützt das IP-over-InfiniBand-Protokoll

• Dieses transportiert IP-Pakete über InfiniBand (IB), so dass Sie Ihr IB-Gerät als schnelle NIC verwenden können

Der IPoIB-Treiber unterstützt zwei Betriebsmodi: Datagramm und verbunden

• Im Datagramm-Modus wird der IB UD-Transport (Unreliable Datagram) verwendet
• Im Verbindungsmodus wird der IB RC (Reliable Connected)-Transport verwendet
• Der Verbindungsmodus nutzt die Vorteile des verbundenen IB-Transports und erlaubt eine MTU bis zur maximalen IP-Paketgröße von 64K

Weitere Einzelheiten finden Sie in der IPOIB-Kerneldokumentation

Verwenden Sie ein IPOIB-Gerät, wenn Sie ein IB-Gerät haben und mit einem entfernten Host über IP kommunizieren wollen

So erstellen Sie ein IPOIB-Gerät

# ip link add ib0 name ipoib0 type ipoib pkey IB_PKEY mode connected

NLMON

NLMON ist ein Netlink-Monitor-Gerät

Verwenden Sie ein NLMON-Gerät, wenn Sie System-Netlink-Meldungen überwachen wollen

So erstellen Sie ein NLMON-Gerät

# ip link add nlmon0 type nlmon
# ip link set nlmon0 up
# tcpdump -i nlmon0 -w nlmsg.pcap

Damit wird ein NLMON-Gerät namens nlmon0 erstellt und eingerichtet

• Verwenden Sie einen Packet Sniffer (z.B. tcpdump), um Netlink-Nachrichten zu erfassen
• Neuere Versionen von Wireshark können Netlink-Nachrichten dekodieren

Dummy

Dummy-Schnittstelle

Eine Dummy-Schnittstelle ist eine rein virtuelle Schnittstelle, wie z. B. die Loopback-Schnittstelle

• Der Zweck einer Dummy-Schnittstelle ist es, ein Gerät zur Verfügung zu stellen, durch das Pakete geleitet werden, ohne dass sie tatsächlich übertragen werden

Mit einer Dummy-Schnittstelle kann man eine inaktive SLIP-Adresse (Serial Line Internet Protocol) wie eine echte Adresse für lokale Programme aussehen lassen

• Heutzutage wird eine Dummy-Schnittstelle meist zum Testen und Debuggen verwendet

So erstellen Sie eine Dummy-Schnittstelle

# ip link add dummy1 type dummy
# ip addr add 1.1.1.1/24 dev dummy1
# ip link set dummy1 up

IFB

Der IFB-Treiber (Intermediate Functional Block) stellt ein Gerät zur Verfügung, das die Bündelung von Datenverkehr aus verschiedenen Quellen und das Shaping von eingehendem Datenverkehr ermöglicht, anstatt ihn zu verwerfen

Verwenden Sie eine IFB-Schnittstelle, wenn Sie den eingehenden Datenverkehr in eine Warteschlange stellen und formen wollen

So erstellen Sie eine IFB-Schnittstelle

# ip link add ifb0 type ifb
# ip link set ifb0 up
# tc qdisc add dev ifb0 root sfq
# tc qdisc add dev eth0 handle ffff: ingress
# tc filter add dev eth0 parent ffff: u32 match u32 0 0 action mirred egress redirect dev ifb0

Dadurch wird ein IFB-Gerät mit dem Namen ifb0 erstellt und der Root-qdisc-Scheduler durch SFQ (Stochastic Fairness Queueing), einen klassenlosen Warteschlangen-Scheduler, ersetzt

• Dann fügt er einen Ingress-qdisc-Scheduler auf eth0 hinzu und leitet den gesamten Ingress-Verkehr zu ifb0 um

Weitere Anwendungsfälle für IFB qdisc finden Sie in diesem Wiki der Linux Foundation über IFB

netdevsim

netdevsim-Schnittstelle

netdevsim ist ein simuliertes Netzwerkgerät, das zum Testen verschiedener Netzwerk-APIs verwendet wird

• Zur Zeit konzentriert es sich besonders auf das Testen von Hardware

Offloading, tc/XDP BPF und SR-IOV

Ein netdevsim-Gerät kann wie folgt erstellt werden

# ip link add dev sim0 type netdevsim
# ip link set dev sim0 up

So aktivieren Sie tc offload

# ethtool -K sim0 hw-tc-offload on

Um XDP BPF oder tc BPF Programme zu laden

# ip link set dev sim0 xdpoffload obj prog.o

So fügen Sie VFs für SR-IOV-Tests hinzu

# echo 3 > /sys/class/net/sim0/device/sriov_numvfs
# ip link set sim0 vf 0 mac

Um die vf-Nummern zu ändern, müssen Sie sie zunächst vollständig deaktivieren

# echo 0 > /sys/class/net/sim0/device/sriov_numvfs
# echo 5 > /sys/class/net/sim0/device/sriov_numvfs

Hinweis

netdevsim wird in RHEL standardmäßig nicht kompiliert

Anhang

Siehe auch

• Linux/Netzwerk/Virtuelle Schnittstelle

Links

Weblinks

Zusätzliche Ressourcen

• Artikel über virtuelle Netzwerke auf dem Red Hat Developer Blog
• Dynamische IP-Adressverwaltung im Open Virtual Network (OVN)
• Open vSwitch ohne Root-Rechte in Red Hat Enterprise Linux
• Open vSwitch-Artikel im Red Hat Developer Blog