基于以太網(wǎng)交換機(jī)的Linux協(xié)議棧虛擬化技術(shù)

陳冰冰+程友清

摘要：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧虛擬化的目標(biāo)是在一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上虛擬出多個(gè)協(xié)議棧以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一虛多功能。由于Linux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧本身是不支持這種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧虛擬化技術(shù)的，因此本文通過對(duì)Linux操作系統(tǒng)3.11.10版本IPV4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行改造以實(shí)現(xiàn)Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的虛擬化，并在設(shè)備平臺(tái)上驗(yàn)證了經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧虛擬化改造后的以太網(wǎng)交換機(jī)對(duì)業(yè)務(wù)流的隔離功能。

關(guān)鍵詞：協(xié)議棧;虛擬化;網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

中圖分類號(hào)：TP316.8???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The?technology?of?Linux?protocol?stack?virtualization

based?on?the?ethernet?switch

CHEN?bing-bing*a，b，c，??CHENG?you-qingb，c

（a.Wuhan?Research?Institute?of?Post?and?Telecommunications，?Wuhan?430074，?China;?b.State?Key?Laboratory?of?Optical?Communication?Technologies?and?Networks，?Wuhan，?430074，?China;?c.Wuhan?FiberHome?Networks?Co.?，?Ltd.?，?Wuhan?430074，?China）

Abstract：?The?goal?of?network?protocol?stack?virtualization?is?that?virtualize?multiple?virtual?protocol?stacks?based?on?one?network?device?in?order?to?implement?the?function?of?one?network?device?virtualized?into?multiple.?Since?the?network?protocol?stack?of?the?Linux?operation?system?itself?dont?support?this?kind?of?technology，?so?this?paper?implement?the?technology?of?network?protocol?stack?virtualization?by?means?of?modifying?the?IPV4?network?protocol?stack?based?on?the?3.11.10?Linux?operation?system?version.?And?then，?it?is?proved?on?the?device?platform?that?the?Ethernet?switch，?of?which?the?protocol?stack?virtualization?has?been?realized，?has?the?function?of?isolating?business?flow

Key?words：?protocol?stack;virtualization;network?device

1??引言

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，業(yè)務(wù)種類的不斷豐富，網(wǎng)絡(luò)對(duì)業(yè)務(wù)的隔離以及安全性、可靠性等屬性提出了越來越高的要求[1]。此外，隨著硬件能力的迅速提升，多框、集群、分布式路由交換系統(tǒng)的成熟，單臺(tái)物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的業(yè)務(wù)處理能力已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的高度[2]。為了將單臺(tái)物理設(shè)備的強(qiáng)大業(yè)務(wù)處理能力充分利用，彈性的適應(yīng)當(dāng)前的業(yè)務(wù)需求和未來的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一虛多（即將一臺(tái)物理設(shè)備虛擬成多個(gè)邏輯設(shè)備）成為了網(wǎng)絡(luò)與通信界追求的目標(biāo)[3]。Linux操作系統(tǒng)因其具有的開源、安全和穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，受到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商的青睞，被廣泛應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的嵌入式開發(fā)中。

目前，國內(nèi)外對(duì)Linux操作系統(tǒng)虛擬化的研究都著力于操作系統(tǒng)級(jí)的全局性資源隔離虛擬化，而缺少對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧虛擬化的深入研究。對(duì)于小規(guī)模以太網(wǎng)而言，全局性的資源隔離會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的進(jìn)程資源造成不必要的浪費(fèi)，增加了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的負(fù)荷，影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理速率。

因此，本文在以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備上研究了Linux嵌入式操作系統(tǒng)中虛擬協(xié)議棧技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流的隔離，提高單個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備的資源利用率[4]。

2??Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的層次結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是指TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程：包括上層協(xié)議到底層協(xié)議，和由底層協(xié)議到上層協(xié)議。Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的層次架構(gòu)模型如圖1所示，最上面一層為用戶空間中的應(yīng)用層，中間部分為內(nèi)核空間中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧部分，底層為物理設(shè)備[5]。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中用戶空間和內(nèi)核空間之間的數(shù)據(jù)通過套接字緩存（socket?buffer）?來傳遞，相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為sk_buffer。

圖1??Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧層次架構(gòu)

Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的最上層是系統(tǒng)調(diào)用接口，為用戶空間中的應(yīng)用程序提供一種訪問內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的接口。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行通信都需要對(duì)套接字進(jìn)行操作，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供了兩種調(diào)用接口給用戶進(jìn)程。一種是在sys_socketcall中會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)調(diào)用具體的功能，另一種是通過普通文件操作來訪問網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，將套接口的輸入、輸出操作當(dāng)成典型的文件讀寫操作來進(jìn)行。

套接字是一個(gè)與協(xié)議無關(guān)的接口層，它提供了一組通用接口來支持各種協(xié)議，它對(duì)用戶層的應(yīng)用程序屏蔽了與協(xié)議相關(guān)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，將應(yīng)用程序發(fā)送的與協(xié)議無關(guān)的請(qǐng)求映射到與協(xié)議相關(guān)的實(shí)現(xiàn)。傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的控制，提供端到端數(shù)據(jù)交換機(jī)制，傳輸層協(xié)議包括面向連接的TCP協(xié)議和面向無連接的UDP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)接收、發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議包括IP協(xié)議、ARP協(xié)議、RARP協(xié)議、ICMP協(xié)議和IGMP協(xié)議等。鄰居子系統(tǒng)為三層協(xié)議地址與二層協(xié)議地址提供了的映射關(guān)系，此外還緩存了二層首部，以加速數(shù)據(jù)包的發(fā)送。在發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候，先進(jìn)行路由查找，如果找到對(duì)應(yīng)的路由，再查看鄰居表中是否存在相應(yīng)的映射關(guān)系，如果不存在則新建對(duì)應(yīng)的鄰居項(xiàng);然后再判斷鄰居項(xiàng)是否為可用狀態(tài)，如果不可用則把數(shù)據(jù)報(bào)存至發(fā)送緩存隊(duì)列后發(fā)送請(qǐng)求;在接收到請(qǐng)求應(yīng)答后，將對(duì)應(yīng)的鄰居項(xiàng)置為可用，并將其緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去;如果在指定時(shí)間內(nèi)為收到響應(yīng)包，則將對(duì)應(yīng)鄰居項(xiàng)置為無效狀態(tài)。對(duì)于以太網(wǎng)交換機(jī)而言，鄰居子系統(tǒng)提供了三層IP地址和二層MAC地址的映射，鄰居表就是ARP表。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧底部是一個(gè)與硬件無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層，它將網(wǎng)絡(luò)層的不同協(xié)議與各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接在一起。設(shè)備無關(guān)接口層提供了一組通用函數(shù)供底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和上層協(xié)議棧調(diào)用。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)時(shí)協(xié)議棧不必關(guān)心底層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而當(dāng)輸入數(shù)據(jù)時(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)同樣也不必關(guān)心上層的協(xié)議棧。協(xié)議棧向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)都需調(diào)用dev_queue_xmit函數(shù)。該函數(shù)對(duì)sk_buffer進(jìn)行排隊(duì)，最終由底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行傳輸。而接收?qǐng)?bào)文通常是調(diào)用netif_rx函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)?shù)讓釉O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序收到一個(gè)報(bào)文時(shí)，就會(huì)通過調(diào)用netif_rx函數(shù)將報(bào)文的sk_buffer上傳至網(wǎng)絡(luò)層。

以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備上網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）的相關(guān)信息是由net_device結(jié)構(gòu)來描述的，net_device包括了硬件信息成員變量、接口信息成員變量、設(shè)備操作接口變量和一些輔助成員變量。網(wǎng)絡(luò)接口卡的IPv4地址等相關(guān)配置信息存放在in_device結(jié)構(gòu)中，net_device中有一個(gè)指針指向in_device。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口卡都會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的net_device結(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)調(diào)用register_netdevice函數(shù)注冊(cè)到系統(tǒng)中，注冊(cè)過的網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC可通過unregister_netdevice函數(shù)注銷。net_device結(jié)構(gòu)中包含了一個(gè)名為hard_start_xmit的接口，通常在初始化網(wǎng)絡(luò)接口卡時(shí)設(shè)置該接口。當(dāng)協(xié)議棧向網(wǎng)絡(luò)接口卡發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)通過設(shè)備無關(guān)接口調(diào)用到此接口[6]。

3??Linux協(xié)議棧虛擬化的實(shí)現(xiàn)框架

Linux協(xié)議棧虛擬化技術(shù)是屬于控制平面的虛擬化，Linux協(xié)議棧虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)分為以下四個(gè)部分：路由表的虛擬化、網(wǎng)絡(luò)接口的虛擬化、與上層應(yīng)用接口的虛擬化、套接字層的虛擬化。路由表的虛擬化通過對(duì)存儲(chǔ)路由表項(xiàng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的虛擬化擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)，使每一個(gè)虛擬出來的協(xié)議棧都對(duì)應(yīng)一份獨(dú)立的路由轉(zhuǎn)發(fā)表實(shí)例，虛擬協(xié)議棧的路由轉(zhuǎn)發(fā)表實(shí)例之間互不干擾[7]。網(wǎng)絡(luò)接口的虛擬化使網(wǎng)絡(luò)接口卡在收發(fā)數(shù)據(jù)包的時(shí)候，可以區(qū)分出這個(gè)數(shù)據(jù)包是屬于哪個(gè)虛擬協(xié)議棧，也使數(shù)據(jù)包在協(xié)議棧中傳遞的時(shí)候，可能選擇正確的函數(shù)處理接口。以上兩部分都是通過virtual_id標(biāo)識(shí)來區(qū)分不同的虛擬協(xié)議棧，每個(gè)虛擬協(xié)議棧都自己唯一的virtual_id標(biāo)識(shí)，virtual_id和虛擬協(xié)議棧是一一對(duì)應(yīng)的。

圖2??虛擬化協(xié)議棧架構(gòu)

3.1??路由表的虛擬化

Linux協(xié)議棧中使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)fib_table來描述路由表信息，所有的fib_table結(jié)構(gòu)鏈接在全局散列表fib_table_hash中。fib_table_hash存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct?net中的struct?netns_ipv4成員中。參數(shù)不同的fib_table_hash表示不同類型的路由表，例如fib_table_hash[RT_TABLE_LOCAL]表示設(shè)備本地地址的路由表。路由表的虛擬化是將指針數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct?hlist_head*fib_table_hash重定義為指向指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct?hlist_head**?fib_table_hash，使用不同virtual_id標(biāo)識(shí)來區(qū)分不同虛擬協(xié)議棧的路由表轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)例，例如本地路由表就重定義為fib_table_hash[RT_TABLE_LOCAL][virtual_id]。

Linux協(xié)議棧中使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)rtable來描述路由緩存，路由緩存鏈接在散列表rt_hash_bucket中，為了使路由緩存和虛擬路由表項(xiàng)實(shí)例一一對(duì)應(yīng)，散列表rt_hash_bucket需要被重定義為virtual_id?個(gè)不同的散列表，即rt_hash_bucket[virtual_id]。

由于不同虛擬協(xié)議棧中的目的IP地址可以重用，所以相同的IP地址在鄰居子系統(tǒng)的ARP表中對(duì)應(yīng)的目的MAC地址是不同的。而ARP表查找函數(shù)的輸入?yún)?shù)為net_device和目的IP地址，因此可以通過net_device來區(qū)分不同虛擬協(xié)議棧中IP地址對(duì)應(yīng)的MAC地址。

3.2??網(wǎng)絡(luò)接口的虛擬化

協(xié)議棧底層網(wǎng)絡(luò)接口的虛擬化是通過協(xié)議棧的net_device結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，需要在net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中添加一個(gè)virtual_id標(biāo)識(shí)，net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的virtual_id表示該net_device結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡屬于該virtual_id對(duì)應(yīng)的虛擬協(xié)議棧。

3.3??與上層應(yīng)用接口的虛擬化

協(xié)議棧內(nèi)部不同層次之間接口的虛擬化是通過在協(xié)議棧內(nèi)部接口函數(shù)中添加參數(shù)virtual_id實(shí)現(xiàn)的，virtual_id表示了同一個(gè)接口函數(shù)中對(duì)不同虛擬協(xié)議棧進(jìn)行操作時(shí)，選擇的表項(xiàng)結(jié)構(gòu)是不同的。比如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)變化時(shí)或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上IP配置變化時(shí)，路由子系統(tǒng)收到通知鏈的通知，需要對(duì)路由表和路由緩存進(jìn)行添加、刪除、修改等操作，接口函數(shù)中的virtual_id可以選擇對(duì)應(yīng)的路由表項(xiàng)實(shí)例進(jìn)行操作。同樣，OSPF、RIP、ISIS等路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)路由拓?fù)渥兓瘯r(shí)，需要對(duì)路由表進(jìn)行動(dòng)態(tài)添加、修改、刪除的函數(shù)，因此修改路由表的接口函數(shù)傳入的參數(shù)struct?fib_config結(jié)構(gòu)中也需要增加virtual_id標(biāo)識(shí)，用來標(biāo)識(shí)將要操作的路由表轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)例。

3.4??套接字層的虛擬化

在保證虛擬協(xié)議棧業(yè)務(wù)隔離的前提下，為了兼顧設(shè)備內(nèi)存資源利用率，協(xié)議棧接口允許一定的共享，比如多個(gè)虛擬協(xié)議棧中同種類型的業(yè)務(wù)流可以共享同一個(gè)socket接口。應(yīng)用層的協(xié)議通過socket發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候，需要在接收方的網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu)中添加相應(yīng)的virtual_id標(biāo)識(shí)，使應(yīng)用層的報(bào)文通過socket進(jìn)入?yún)f(xié)議棧之后可以區(qū)分不同的虛擬協(xié)議棧，在進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)候也可以查找對(duì)應(yīng)虛擬協(xié)議棧的路由表轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)例。應(yīng)用層的協(xié)議用socket接收數(shù)據(jù)包的時(shí)候，也可以從接收的地址結(jié)構(gòu)中取出virtual_id標(biāo)識(shí)，區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包是由哪個(gè)虛擬協(xié)議棧送上來的。

4??Linux虛擬協(xié)議棧的關(guān)鍵操作

由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的每個(gè)虛擬協(xié)議?？梢詫?duì)應(yīng)設(shè)備的多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC，所以可以通過網(wǎng)管配置命令將多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)接口卡的net_device結(jié)構(gòu)用同一個(gè)virtual_id標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)為同一個(gè)邏輯組，這個(gè)邏輯組收發(fā)的所有數(shù)據(jù)包都交給同一個(gè)虛擬協(xié)議棧處理。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC收到數(shù)據(jù)包的時(shí)候，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口卡邏輯組的劃分，在數(shù)據(jù)包的地址結(jié)構(gòu)中添加上對(duì)應(yīng)的virtual_id標(biāo)識(shí)，如圖3所示將存放其地址信息的sockaddr_in結(jié)構(gòu)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成sockaddr_in_virtual結(jié)構(gòu)。當(dāng)數(shù)據(jù)包在協(xié)議棧上下層之間傳遞的時(shí)候，就根據(jù)virtual_id標(biāo)識(shí)查找對(duì)應(yīng)的函數(shù)接口和路由表項(xiàng)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)例[8]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從出端口發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候，數(shù)據(jù)包不再帶有virtual_id標(biāo)識(shí)，virtual_id標(biāo)識(shí)只在設(shè)備內(nèi)部有效，因此設(shè)備協(xié)議棧的虛擬化對(duì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是透明的。

圖3??sockaddr_in_virtual地址信息結(jié)構(gòu)

5??Linux虛擬協(xié)議棧在以太網(wǎng)交換機(jī)上的實(shí)現(xiàn)

5.1??測試平臺(tái)的搭建

搭建的測試環(huán)境拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，三層交換機(jī)設(shè)備為烽火網(wǎng)絡(luò)的S5800系列三層千兆路由交換機(jī)。將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧被改造后的Linux嵌入式操作系統(tǒng)download到三層交換機(jī)設(shè)備上，該交換機(jī)設(shè)備與四臺(tái)電腦相連，PC1和PC2屬于vlan1，PC3和PC4屬于vlan2，PC1和PC3?的IP?地址相同，PC2和PC4的IP?地址相同。

在網(wǎng)管界面中輸入配置命令行，將與PC1和PC2相連的交換機(jī)接口劃分為同一個(gè)邏輯組，它們的net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中virtual_id都被賦值為1，與PC3和PC4相連的交換機(jī)接口也劃分為同一個(gè)邏輯組，它們的net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中virtual_id都被賦值為2。因此，?PC1和PC3發(fā)送到交換機(jī)的數(shù)據(jù)包分別被送往不同的虛擬協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流的隔離。

圖4??以太網(wǎng)交換機(jī)測試拓?fù)?/p>

5.2?測試結(jié)果分析

圖5顯示了在電腦PC1上ping?PC2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖6顯示了在電腦PC3上ping?PC4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，雖然PC1和PC2的IP地址相同，但是業(yè)務(wù)流之間互不影響，相互隔離。圖7和圖8顯示了協(xié)議棧經(jīng)過一虛多虛擬化后每個(gè)虛擬協(xié)議棧都有自己獨(dú)立的路由轉(zhuǎn)發(fā)表。

由上可知，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧虛擬化的虛擬設(shè)備可以承載不同的業(yè)務(wù)，或者服務(wù)于不同的用戶群，達(dá)到業(yè)務(wù)隔離提升網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性，降低用戶成本，并可以實(shí)現(xiàn)多用戶群管理隔離，有效簡化運(yùn)維。

圖5??PC1?ping?PC2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6??PC3?ping?PC4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7??虛擬協(xié)議棧1的路由表????????圖8??虛擬協(xié)議棧2的路由表

6??結(jié)論

本文描述了Linux協(xié)議棧虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)框架，并通過設(shè)備驗(yàn)證了協(xié)議棧虛擬化技術(shù)對(duì)業(yè)務(wù)流的隔離。運(yùn)用Linux協(xié)議棧的虛擬化技術(shù)可以將一臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)虛擬成多臺(tái)專用的三層交換機(jī)，每個(gè)虛擬交換機(jī)都有自己獨(dú)立的路由表轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)例VRF和相應(yīng)的接口[9]。虛擬協(xié)議棧的交換機(jī)設(shè)備可以幫助用戶快速部署網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流的隔離，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)成本，提高網(wǎng)絡(luò)的可拓展性和彈性[10]。

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