1. Macvlan 简介

在 Macvlan 出现之前,我们只能为一块以太网卡添加多个 IP 地址,却不能添加多个 MAC 地址,因为 MAC 地址正是通过其全球唯一性来标识一块以太网卡的,即便你使用了创建 ethx:y 这样的方式,你会发现所有这些“网卡”的 MAC 地址和 ethx 都是一样的,本质上,它们还是一块网卡,这将限制你做很多二层的操作。有了 Macvlan 技术,你可以这么做了。

Macvlan 允许你在主机的一个网络接口上配置多个虚拟的网络接口,这些网络 interface 有自己独立的 MAC 地址,也可以配置上 IP 地址进行通信。Macvlan 下的虚拟机或者容器网络和主机在同一个网段中,共享同一个广播域。Macvlan 和 Bridge 比较相似,但因为它省去了 Bridge 的存在,所以配置和调试起来比较简单,而且效率也相对高。除此之外,Macvlan 自身也完美支持 VLAN。

同一 VLAN 间数据传输是通过二层互访,即 MAC 地址实现的,不需要使用路由。不同 VLAN 的用户单播默认不能直接通信,如果想要通信,还需要三层设备做路由,Macvlan 也是如此。用 Macvlan 技术虚拟出来的虚拟网卡,在逻辑上和物理网卡是对等的。物理网卡也就相当于一个交换机,记录着对应的虚拟网卡和 MAC 地址,当物理网卡收到数据包后,会根据目的 MAC 地址判断这个包属于哪一个虚拟网卡。这也就意味着,只要是从 Macvlan 子接口发来的数据包(或者是发往 Macvlan 子接口的数据包),物理网卡只接收数据包,不处理数据包,所以这就引出了一个问题:本机 Macvlan 网卡上面的 IP 无法和物理网卡上面的 IP 通信!关于这个问题的解决方案我们下一节再讨论。
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简单来说,Macvlan 虚拟网卡设备是寄生在物理网卡设备上的。发包时调用自己的发包函数,查找到寄生的物理设备,然后通过物理设备发包。收包时,通过注册寄生的物理设备的 rx_handler 回调函数,处理数据包。

2.简单介绍manual的流程

macvlan 就如它的名字一样,是一种网卡虚拟化技术,它能够将一个物理网卡虚拟出多个接口,每个接口都可以配置 MAC 地址,同样每个接口也可以配自己的 IP,每个接口就像交换机的端口一样,可以为它划分 VLAN。

macvlan 的做法其实就是将这些虚拟出来的接口与 Docker 容器直连来达到通信的目的。一个 macvlan 网络对应一个接口,不同的 macvlan 网络分配不同的子网,因此,相同的 macvlan 之间可以互相通信,不同的 macvlan 网络之间在二层上不能通信,需要借助三层的路由器才能完成通信,如下,显示的就是两个不同的 macvlan 网络之间的通信流程。
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我们用一个 Linux 主机,通过配置其路由表和 iptables,将其配成一个路由器(当然是虚拟的),就可以完成不同 macvlan 网络之间的数据交换,当然用物理路由器也是没毛病的。

3.Macvlan 的特点:

1.可让使用者在同一张实体网卡上设定多个 MAC 地址。
2.承上,带有上述设定的 MAC 地址的网卡称为子接口(sub interface);而实体网卡则称为父接口(parent interface)。
3.parent interface 可以是一个物理接口(eth0),可以是一个 802.1q 的子接口(eth0.10),也可以是 bonding 接口。
4.可在 parent/sub interface 上设定的不只是 MAC 地址,IP 地址同样也可以被设定。
5.sub interface 无法直接与 parent interface 通讯 (带有 sub interface 的 VM 或容器无法与 host 直接通讯)。
承上,若 VM 或容器需要与 host 通讯,那就必须额外建立一个 sub 6.interface 给 host 用。
7.sub interface 通常以 mac0@eth0 的形式来命名以方便区別。
用张图来解释一下设定 Macvlan 后的样子:

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4.实验环境

docker01 docker02
192.168.1.11 192.168.1.13

关闭防火墙和禁用selinux,更改主机名

[root@localhost ~]# hostnamectl set-hostname docker01
[root@localhost ~]# su -
上一次登录:二 12月 17 08:20:36 CST 2019从 192.168.1.1pts/0 上
[root@docker01 ~]# systemctl  stop firealld
Failed to stop firealld.service: Unit firealld.service not loaded.
[root@docker01 ~]# setenforce 0
setenforce: SELinux is disabled
[root@docker01 ~]# systemctl daemon-reload 
[root@docker01 ~]# systemctl restart docker

4.1 macvlan的单网络通信

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1) 打开网卡的混杂模式
//需要在docker01和docker02_上都进行操作。

[root@docker01 ~]# ip link show ens33
//查看网卡模式

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[root@docker01 ~]# ip link set ens33 promisc on
//创建网卡模式为混杂模式
[root@docker01 ~]# ip link show ens33
//查看网卡模式

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2)在docker01.上创建macvlan网络

[root@docker01 ~]# docker network create -d macvlan --subnet 172.22.16.0/24 --gateway 172.22.16.1  -o parent=ens33 mac_net1
// 创建一个macvlan模式的网络
-o parent=绑定在哪张网卡之上
[root@docker01 ~]# docker network ls
//查看网卡信息

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3)基于创建的macvlan网络运行一个容器

[root@docker01 ~]# docker run -itd --name bbox1 --ip 172.22.16.10 --network mac_net1 busybox

4)在docker02.上创建macvlan网络(要和docker01的macvlan一模一样)

[root@docker02 ~]# docker network create -d macvlan  --subnet 172.22.16.0/24 --gateway 172.22.16.1  -o parent=ens33 mac_net1

[root@docker02 ~]# docker network ls

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5)在docker02. 上,基于创建的macvlan网络运行一个容器,验证与docker01.上容器的通信。

[root@docker02 ~]# docker run -itd --name bbox2 --network mac_net1 --ip 172.22.16.20 busybox
//基于busybox创建一个容器
[root@docker02 ~]# docker exec -it bbox2 /bin/sh
//进入bbox2容器
/ # ping 172.22.16.10
//ping一下docker01的主机

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4.2macvlan的多网络通信

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1) docker01和docker02验证内核模块8021q封装
macvlan需要解决的问题:基于真实的ens33网卡,生产新的虚拟网卡。

[root@docker01 ~]# modinfo 8021q
//验证内核模块8021q封装

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[root@docker01 ~]# modprobe 8021q
//如果内核模块没有开启,运行上边的命令导入一下

2)docker01基于ens33创建虚拟网卡
修改ens33网卡配置文件

[root@docker01 ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@docker01 network-scripts]# vim ifcfg-ens33  

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手动添加虚拟网卡配置文件

[root@docker01 ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@docker01 network-scripts]# cp -p ifcfg-ens33  ifcfg-ens33.10
//-p保留源文件或目录的属性
[root@docker01 network-scripts]# vim ifcfg-ens33.10
//修改ens33.10网卡配置文件
BOOTPROTO=none
NAME=ens33.10
DEVICE=ens33.10
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.10.10
PREFIX=24
GATEWAY=192.168.10.2
VLAN=yes

这里注意,IP要和ens33网段做一个区分, 保证网关和网段IP的一致性,设备名称和配置文件的-致性,并且打开VLAN支持模式。

创建第二个虚拟网卡配置文件

[root@docker01 network-scripts]# cp -p ifcfg-ens33.10 ifcfg-ens33.20
[root@docker01 network-scripts]# vim ifcfg-ens33.20
//修改ens33.20网卡配置文件
BOOTPROTO=none
NAME=ens33.20
DEVICE=ens33.20
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.20.20
PREFIX=24
GATEWAY=192.168.20.2
VLAN=yes

docker01上的操作,启用创建的虚拟网卡:

[root@docker01 network-scripts]# ifup ifcfg-ens33.10 
[root@docker01 network-scripts]# ifup ifcfg-ens33.20
[root@docker01 network-scripts]# ifconfig
//查看IP

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3)docker02基于ens33创建虚拟网卡
修改ens33网卡配置文件

[root@docker02 ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@docker02 network-scripts]# vim ifcfg-ens33  

Docker跨主机网络——manual
手动添加虚拟网卡配置文件

[root@docker02 ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@docker02 network-scripts]# cp -p ifcfg-ens33  ifcfg-ens33.10
//-p保留源文件或目录的属性
[root@docker02 network-scripts]# vim ifcfg-ens33.10
//修改ens33.10网卡配置文件
BOOTPROTO=none
NAME=ens33.10
DEVICE=ens33.10
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.10.11
PREFIX=24
GATEWAY=192.168.10.2
VLAN=yes

这里注意,IP要和ens33网段做一个区分, 保证网关和网段IP的一致性,设备名称和配置文件的-致性,并且打开VLAN支持模式。

创建第二个虚拟网卡配置文件

[root@docker02 network-scripts]# cp -p ifcfg-ens33.10 ifcfg-ens33.20
[root@docker02 network-scripts]# vim ifcfg-ens33.20
//修改ens33.20网卡配置文件
BOOTPROTO=none
NAME=ens33.20
DEVICE=ens33.20
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.20.21
PREFIX=24
GATEWAY=192.168.20.2
VLAN=yes

docker02上的操作,启用创建的虚拟网卡:

[root@docker02 network-scripts]# systemctl restart network
[root@docker02 network-scripts]# ifup ifcfg-ens33.10 
[root@docker02 network-scripts]# ifup ifcfg-ens33.20
[root@docker02 network-scripts]# ifconfig
//查看IP

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4)docekr01和docker02基于虚拟网卡,创建macvlan网络

[root@docker02 network-scripts]# docker network create -d macvlan --subnet 172.16.10.0/24 --gateway 172.16.10.1  -o parent=ens33.10 mac_net10
//创建一个新的网卡基于ens33.10
[root@docker02 network-scripts]# docker network create -d macvlan --subnet 172.16.20.0/24 --gateway 172.16.20.1  -o parent=ens33.20 mac_net20
//创建一个新的网卡基于ens33.20

5)Docker01部署一个私有仓库
Docker01

   72  docker pull registry
//下载registry镜像
   73  docker run -itd --name registry -p 5000:5000  --restart=always registry:latest 
//基于registry镜像,启动一台容器
   76  docker tag busybox:latest  192.168.1.11:5000/busybox:v1 
//把容器重命名一个标签
   77  docker ps

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   78  vim /usr/lib/systemd/system/docker.service #13行修改
ExecStart=/usr/bin/dockerd --insecure-registry 192.168.1.11:5000  

   80  systemctl daemon-reload 
   81  systemctl restart docker.service 
//重启docker
  100  docker push 192.168.1.11:5000/busybox:v1
//上传容器到私有仓库 
  101  docker images

Docker02

78  vim /usr/lib/systemd/system/docker.service #13行修改
ExecStart=/usr/bin/dockerd --insecure-registry 192.168.1.11:5000  

   80  systemctl daemon-reload 
   81  systemctl restart docker.service 
     //重启docker
   99  docker pull 192.168.1.11/busybox:v1 
     //下载刚刚上传的镜像

6)docker01和docker02基于busybox:v1镜像和网卡mac_net10,mac_net20,创建容器。
Docker01

[root@docker01 ~]# docker run -itd --name bbox10 --network mac_net10 --ip 172.16.10.10 192.168.1.11:5000/busybox:v1
[root@docker01 ~]# docker run -itd --name bbox20 --network mac_net20 --ip 172.16.20.20 192.168.1.11:5000/busybox:v1
**Docker02**
[root@docker02 ~]# docker run -itd --name bbox10 --network mac_net10 --ip 172.16.10.10 192.168.1.11:5000/busybox:v1
[root@docker02 ~]# docker run -itd --name bbox20 --network mac_net20 --ip 172.16.20.20 192.168.1.11:5000/busybox:v1

***这里只需注意,我们在这里的操作跟在docker01和上面的操作是一模一样的,操作顺序大致为:
验证8021q内核封装
基于ens33网卡创建新的虚拟网卡,ens33.10和ens33.20 (注意和docker01. 上的ens33.10和ens33.20必须是在同一-网段,且IP不能冲突)基于此网络运行容器。(注意和docker01 上的容器,都是基于刚刚创建的macvlan网络,但IP地址不能冲突)


7)验证
在docker01.上进入容器bbox10和docker02.上的bbox11进行通信。
在docker01.上进入容器bbox20和docker02.上的bbox21进行通信。
注意: VMware的网络必须设置为Bridge模式。

现在把docker01和docker02的网络模式设置为桥接模式

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测试一下相同网卡的主机是否能ping通

[root@docker01 ~]# docker exec -it bbox10  /bin/sh
/ # ping 172.16.20.20

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[root@docker02 ~]# docker exec -it bbox20  /bin/sh
/ # ping 172.16.20.20

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5.Macvlan 的局限性

Macvlan 是将 VM 或容器通过二层连接到物理网络的近乎理想的方案,但它也有一些局限性:

1.Linux 主机连接的交换机可能会限制同一个物理端口上的 MAC 地址数量。虽然你可以让网络管理员更改这些策略,但有时这种方法是无法实行的(比如你要去给客户做一个快速的 PoC 演示)。
2.许多 NIC 也会对该物理网卡上的 MAC地址数量有限制。超过这个限制就会影响到系统的性能。
3.IEEE 802.11 不喜欢同一个客户端上有多个 MAC 地址,这意味着你的 Macvlan 子接口在无线网卡或 AP 中都无法通信。可以通过复杂的办法来突破这种限制,但还有一种更简单的办法,那就是使用 Ipvlan,感兴趣可以自己查阅相关资料。

6.总结

macvlan是一种网卡虚拟化技术,能够将一张网卡虚拟出多张网卡。

macvlan的特定通信模式,常用模式是bridge。

在Docker中,macvlan只支持bridge模式。

相同的macvlan可以通信,不同的macvlan二层无法通信,可以通过三层路由完成通信。

思考一下:

macvlan bridge和bridge的异同点
还有一种类似的技术,多张虚拟网卡共享相同MAC地址,但有独立的IP地址,这是什么技术?