13518219792
Docker网络基础中Linux网桥工作原理以及是怎样实现的，相信很多没有经验的人对此束手无策，为此本文总结了问题出现的原因和解决方法，通过这篇文章希望你能解决这个问题。
成都创新互联公司始终坚持【策划先行，效果至上】的经营理念，通过多达十余年累计超上千家客户的网站建设总结了一套系统有效的全网营销推广解决方案，现已广泛运用于各行各业的客户，其中包括：木包装箱等企业，备受客户称誉。
本文转载自微信公众号「Linux内核那些事」，作者songsong001 。转载本文请联系Linux内核那些事公众号。
Linux 的 网桥 是一种虚拟设备(使用软件实现)，可以将 Linux 内部多个网络接口连接起来，如下图所示：
而将网络接口连接起来的结果就是，一个网络接口接收到网络数据包后，会复制到其他网络接口中，如下图所示：
如上图所示，当网络接口A接收到数据包后，网桥 会将数据包复制并且发送给连接到 网桥 的其他网络接口(如上图中的网卡B和网卡C)。
Docker 就是使用 网桥 来进行容器间通讯的，我们来看看 Docker 是怎么利用 网桥 来进行容器间通讯的，原理如下图：
Docker 在启动时，会创建一个名为 docker0 的 网桥，并且把其 IP 地址设置为 172.17.0.1/16(私有 IP 地址)。然后使用虚拟设备对 veth-pair 来将容器与 网桥 连接起来，如上图所示。而对于 172.17.0.0/16 网段的数据包，Docker 会定义一条 iptables NAT 的规则来将这些数据包的 IP 地址转换成公网 IP 地址，然后通过真实网络接口(如上图的 ens160 接口)发送出去。
接下来，我们主要通过代码来分析 网桥 的实现。
网桥的实现
1. 网桥的创建
我们可以通过下面命令来添加一个名为 br0 的 网桥 设备对象：
[root@vagrant]# brctl addbr br0
然后，我们可以通过命令 brctl show 来查看系统中所有的 网桥 设备列表，如下：
[root@vagrant]# brctl show bridge name bridge id STP enabled interfaces br0 8000.000000000000 no docker0 8000.000000000000 no
当使用命令创建一个新的 网桥 设备时，会触发内核调用 br_add_bridge() 函数，其实现如下：
int br_add_bridge(char *name) { struct net_bridge *br; if ((br = new_nb(name)) == NULL) // 创建一个网桥设备对象 return -ENOMEM; if (__dev_get_by_name(name) != NULL) { // 设备名是否已经注册过? kfree(br); return -EEXIST; // 返回错误, 不能重复注册相同名字的设备 } // 添加到网桥列表中 br->next = bridge_list; bridge_list = br; ... register_netdev(&br->dev); // 把网桥注册到网络设备中 return 0; }br_add_bridge() 函数主要完成以下几个工作：
调用 new_nb() 函数创建一个 网桥 设备对象。
调用 __dev_get_by_name() 函数检查设备名是否已经被注册过，如果注册过返回错误信息。
将 网桥 设备对象添加到 bridge_list 链表中，内核使用 bridge_list 链表来保存所有 网桥 设备。
调用 register_netdev() 将网桥设备注册到网络设备中。
从上面的代码可知，网桥 设备使用了 net_bridge 结构来描述，其定义如下：
struct net_bridge { struct net_bridge *next; // 连接内核中所有的网桥对象 rwlock_t lock; // 锁 struct net_bridge_port *port_list; // 网桥端口列表 struct net_device dev; // 网桥设备信息 struct net_device_stats statistics; // 信息统计 rwlock_t hash_lock; // 用于锁定CAM表 struct net_bridge_fdb_entry *hash[BR_HASH_SIZE]; // CAM表 struct timer_list tick; /* STP */ ... };在 net_bridge 结构中，比较重要的字段为 port_list 和 hash：
port_list：网桥端口列表，保存着绑定到 网桥 的网络接口列表。
hash：保存着以网络接口 MAC地址 为键值，以网桥端口为值的哈希表。
网桥端口 使用结构体 net_bridge_port 来描述，其定义如下：
struct net_bridge_port { struct net_bridge_port *next; // 指向下一个端口 struct net_bridge *br; // 所属网桥设备对象 struct net_device *dev; // 网络接口设备对象 int port_no; // 端口号 /* STP */ ... };而 net_bridge_fdb_entry 结构用于描述网络接口设备 MAC地址 与 网桥端口 的对应关系，其定义如下：
struct net_bridge_fdb_entry { struct net_bridge_fdb_entry *next_hash; struct net_bridge_fdb_entry **pprev_hash; atomic_t use_count; mac_addr addr; // 网络接口设备MAC地址 struct net_bridge_port *dst; // 网桥端口 ... };这三个结构的对应关系如下图所示：
可见，要将 网络接口设备 绑定到一个 网桥 上，需要使用 net_bridge_port 结构来关联的，下面我们来分析怎么将一个 网络接口设备 绑定到一个 网桥 中。
网桥是工作在 TCP/IP 协议栈的第二层，也就是说，网桥能够根据目标 MAC 地址对数据包进行广播或者单播。当目标 MAC 地址能够从网桥的 hash 表中找到对应的网桥端口，说明此数据包是单播的数据包，否则就是广播的数据包。
2. 将网络接口绑定到网桥
要将一个 网络接口设备 绑定到一个 网桥 上，可以使用以下命令：
[root@vagrant]# brctl addif br0 eth0
上面的命令让网络接口 eth0 绑定到网桥 br0 上。
当调用命令将网络接口设备绑定到网桥上时，内核会触发调用 br_add_if() 函数来实现，其代码如下：
int br_add_if(struct net_bridge *br, struct net_device *dev) { struct net_bridge_port *p; ... write_lock_bh(&br->lock); // 创建一个新的网桥端口对象, 并添加到网桥的port_list链表中 if ((p = new_nbp(br, dev)) == NULL) { write_unlock_bh(&br->lock); dev_put(dev); return -EXFULL; } // 设置网络接口设备为混杂模式 dev_set_promiscuity(dev, 1); ... // 添加到网络接口MAC地址与网桥端口对应的哈希表中 br_fdb_insert(br, p, dev->dev_addr, 1); ... write_unlock_bh(&br->lock); return 0; }br_add_if() 函数主要完成以下工作：
调用 new_nbp() 函数创建一个新的 网桥端口 并且添加到 网桥 的 port_list 链表中。
将网络接口设备设置为 混杂模式。
调用 br_fdb_insert() 函数将新建的 网桥端口 插入到网络接口 MAC地址 对应的哈希表中。
也就是说，br_add_if() 函数主要建立 网络接口设备 与 网桥 的关系。
3. 网桥中的网络接口接收数据
当某个 网络接口 接收到数据包时，会判断这个 网络接口 是否绑定到某个 网桥 上，如果绑定了，那么就调用 handle_bridge() 函数处理这个数据包。handle_bridge() 函数实现如下：
static int __inline__ handle_bridge(struct sk_buff *skb, struct packet_type *pt_prev) { int ret = NET_RX_DROP; ... br_handle_frame_hook(skb); return ret; }br_handle_frame_hook 是一个函数指针，其指向 br_handle_frame() 函数，我们来分析 br_handle_frame() 函数的实现：
void br_handle_frame(struct sk_buff *skb) { struct net_bridge *br; br = skb->dev->br_port->br; // 获取设备连接的网桥对象 read_lock(&br->lock); // 对网桥上锁 __br_handle_frame(skb); // 调用__br_handle_frame()函数处理数据包 read_unlock(&br->lock); }br_handle_frame() 函数的实现比较简单，首先对 网桥 进行上锁操作，然后调用 __br_handle_frame() 处理数据包，我们来分析 __br_handle_frame() 函数的实现：
static void __br_handle_frame(struct sk_buff *skb) { struct net_bridge *br; unsigned char *dest; struct net_bridge_fdb_entry *dst; struct net_bridge_port *p; int passedup; dest = skb->mac.ethernet->h_dest; // 目标MAC地址 p = skb->dev->br_port; // 网络接口绑定的端口 br = p->br; passedup = 0; ... // 将学习到的MAC地址插入到网桥的hash表中 if (p->state == BR_STATE_LEARNING || p->state == BR_STATE_FORWARDING) br_fdb_insert(br, p, skb->mac.ethernet->h_source, 0); ... if (dest[0] & 1) { // 如果是一个广播包 br_flood(br, skb, 1); // 把数据包发送给连接到网桥上的所有网络接口 if (!passedup) br_pass_frame_up(br, skb); else kfree_skb(skb); return; } dst = br_fdb_get(br, dest); // 获取目标MAC地址对应的网桥端口 ... if (dst != NULL) { // 如果目标MAC地址对应的网桥端口存在 br_forward(dst->dst, skb); // 那么只将数据包转发给此端口 br_fdb_put(dst); return; } br_flood(br, skb, 0); // 否则发送给连接到此网桥上的所有网络接口 return; ... }__br_handle_frame() 函数主要完成以下几个工作：
首先将从数据包中学习到的MAC地址插入到网桥的hash表中。
如果数据包是一个广播包(目标MAC地址的第一位为1)，那么调用 br_flood() 函数把数据包发送给连接到网桥上的所有网络接口。
调用 br_fdb_get() 获取目标MAC地址对应的网桥端口，如果目标MAC地址对应的网桥端口存在，那么调用 br_forward() 函数把数据包转发给此端口。
否则调用 调用 br_flood() 函数把数据包发送给连接到网桥上的所有网络接口。
函数 br_forward() 用于把数据包发送给指定的网桥端口，其实现如下：
static void __br_forward(struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb) { skb->dev = to->dev; dev_queue_xmit(skb); } void br_forward(struct net_bridge_port *to, struct sk_buff *skb) { if (should_forward(to, skb)) { // 端口是否能够接收数据? __br_forward(to, skb); return; } kfree_skb(skb); }br_forward() 函数通过调用 __br_forward() 函数来发送数据给指定的网桥端口，__br_forward() 函数首先将数据包的输出接口设备设置为网桥端口绑定的设备，然后调用 dev_queue_xmit() 函数将数据包发送出去。
而 br_flood() 函数用于将数据包发送给绑定到 网桥 上的所有网络接口设备，其实现如下：
void br_flood(struct net_bridge *br, struct sk_buff *skb, int clone) { struct net_bridge_port *p; struct net_bridge_port *prev; ... prev = NULL; p = br->port_list; while (p != NULL) { // 遍历绑定到网桥的所有网络接口设备 if (should_forward(p, skb)) { // 端口是否能够接收数据包? if (prev != NULL) { struct sk_buff *skb2; // 克隆一个数据包 if ((skb2 = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC)) == NULL) { br->statistics.tx_dropped++; kfree_skb(skb); return; } __br_forward(prev, skb2); // 把数据包发送给设备 } prev = p; } p = p->next; } if (prev != NULL) { __br_forward(prev, skb); return; } kfree_skb(skb); }br_flood() 函数的实现也比较简单，主要是遍历绑定到网桥的所有网络接口设备，然后调用 __br_forward() 函数将数据包转发给设备对应的端口。
看完上述内容，你们掌握Docker网络基础中Linux网桥工作原理以及是怎样实现的的方法了吗？如果还想学到更多技能或想了解更多相关内容，欢迎关注创新互联行业资讯频道，感谢各位的阅读！
