主流Docker网络的实现原理是什么

这篇文章主要介绍了主流Docker网络的实现原理是什么，具有一定借鉴价值，感兴趣的朋友可以参考下，希望大家阅读完这篇文章之后大有收获，下面让小编带着大家一起了解一下。

一、容器网络简介

容器网络主要解决两大核心问题：一是容器的IP地址分配，二是容器之间的相互通信。本文重在研究第二个问题并且主要研究容器的跨主机通信问题。

实现容器跨主机通信的最简单方式就是直接使用host网络，这时由于容器IP就是宿主机的IP，复用宿主机的网络协议栈以及underlay网络，原来的主机能通信，容器也就自然能通信，然而带来的最直接问题就是端口冲突问题。

因此通常容器会配置与宿主机不一样的属于自己的IP地址。由于是容器自己配置的IP，underlay平面的底层网络设备如交换机、路由器等完全不感知这些IP的存在，也就导致容器的IP不能直接路由出去实现跨主机通信。

要解决如上问题实现容器跨主机通信，主要有如下两个思路：

• 思路一：修改底层网络设备配置，加入容器网络IP地址的管理，修改路由器网关等，该方式主要和SDN结合。

• 思路二：完全不修改底层网络设备配置，复用原有的underlay平面网络，解决容器跨主机通信，主要有如下两种方式：

• Overlay隧道传输。把容器的数据包封装到原主机网络的三层或者四层数据包中，然后使用原来的网络使用IP或者TCP/UDP传输到目标主机，目标主机再拆包转发给容器。Overlay隧道如Vxlan、ipip等，目前使用Overlay技术的主流容器网络如Flannel、Weave等。

• 修改主机路由。把容器网络加到主机路由表中，把主机当作容器网关，通过路由规则转发到指定的主机，实现容器的三层互通。目前通过路由技术实现容器跨主机通信的网络如Flannel host-gw、Calico等。

本文接下来将详细介绍目前主流容器网络的实现原理。

在开始正文内容之前，先引入两个后续会一直使用的脚本：

第一个脚本为 docker_netns.sh：

#!/bin/bash

NAMESPACE=$1

if [[ -z $NAMESPACE ]]; then
    ls -1 /var/run/docker/netns/
    exit 0
fi

NAMESPACE_FILE=/var/run/docker/netns/${NAMESPACE}

if [[ ! -f $NAMESPACE_FILE ]]; then
    NAMESPACE_FILE=$(docker inspect -f "{{.NetworkSettings.SandboxKey}}" $NAMESPACE 2>/dev/null)
fi

if [[ ! -f $NAMESPACE_FILE ]]; then
    echo "Cannot open network namespace '$NAMESPACE': No such file or directory"
    exit 1
fi

shift

if [[ $# -lt 1 ]]; then
    echo "No command specified"
    exit 1
fi

nsenter --net=${NAMESPACE_FILE} $@

该脚本通过指定容器id、name或者namespace快速进入容器的network namespace并执行相应的shell命令。

如果不指定任何参数，则列举所有Docker容器相关的network namespaces。

# ./docker_netns.sh # list namespaces
4-a4a048ac67
abe31dbbc394
default

# ./docker_netns.sh busybox ip addr # Enter busybox namespace
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
354: eth0@if355: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:c0:a8:64:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 192.168.100.2/24 brd 192.168.100.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
356: eth2@if357: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:ac:12:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1
    inet 172.18.0.2/16 brd 172.18.255.255 scope global eth2
       valid_lft forever preferred_lft forever

另一个脚本为 find_links.sh：

#!/bin/bash

DOCKER_NETNS_SCRIPT=./docker_netns.sh
IFINDEX=$1
if [[ -z $IFINDEX ]]; then
    for namespace in $($DOCKER_NETNS_SCRIPT); do
        printf "e[1;31m%s: e[0m
" $namespace
        $DOCKER_NETNS_SCRIPT $namespace ip -c -o link
        printf "
"
    done
else
    for namespace in $($DOCKER_NETNS_SCRIPT); do
        if $DOCKER_NETNS_SCRIPT $namespace ip -c -o link | grep -Pq "^$IFINDEX: "; then
            printf "e[1;31m%s: e[0m
" $namespace
            $DOCKER_NETNS_SCRIPT $namespace ip -c -o link | grep -P "^$IFINDEX: ";
            printf "
"
        fi
    done
fi

该脚本根据ifindex查找虚拟网络设备所在的namespace:

# ./find_links.sh 354abe31dbbc394:354: eth0@if355: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default     link/ether 02:42:c0:a8:64:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

该脚本的目的是方便查找veth的对端所在的namespace位置。如果不指定ifindex，则列出所有namespaces的link设备。

二、Docker原生的Overlay

Laurent Bernaille在DockerCon2017上详细介绍了Docker原生的Overlay网络实现原理，作者还总结了三篇干货文章一步一步剖析Docker网络实现原理，最后还教大家一步一步从头开始手动实现Docker的Overlay网络，这三篇文章为:

• Deep dive into docker overlay networks part 1

• Deep dive into docker overlay networks part 2

• Deep dive into docker overlay networks part 3

建议感兴趣的读者阅读，本节也大量参考了如上三篇文章的内容。

2.1 Overlay网络环境

测试使用两个Node节点：

首先创建一个overlay网络:

docker network create -d overlay --subnet 10.20.0.0/16 overlay

在两个节点分别创建两个busybox容器:

docker run -d --name busybox --net overlay busybox sleep 36000

容器列表如下：

我们发现容器有两个IP，其中eth0 10.20.0.0/16为我们创建的Overlay网络ip，两个容器能够互相ping通。而不在同一个node的容器IP eth2都是172.18.0.2，因此172.18.0.0/16很显然不能用于跨主机通信，只能用于单个节点容器通信。

2.2 容器南北流量

这里的南北流量主要是指容器与外部通信的流量，比如容器访问互联网。

我们查看容器的路由：

# docker exec busybox-node-1 ip rdefault via 172.18.0.1 dev eth210.20.0.0/16 dev eth0 scope link  src 10.20.0.3172.18.0.0/16 dev eth2 scope link  src 172.18.0.2

由此可知容器默认网关为172.18.0.1，也就是说容器是通过eth2出去的：

# docker exec busybox-node-1 ip link show eth277: eth2@if78: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue    link/ether 02:42:ac:12:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff# ./find_links.sh 78default:78: vethf2de5d4@if77: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue master docker_gwbridge state UP mode DEFAULT group defaultlink/ether 2e:6a:94:6a:09:c5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1

通过 find_links.sh脚本查找ifindex为78的link在默认namespace中，并且该link的master为 docker_gwbridge，也就是说该设备挂到了 docker_gwbridgebridge。

# brctl showbridge name     bridge id               STP enabled     interfacesdocker0         8000.02427406ba1a       nodocker_gwbridge         8000.0242bb868ca3       no              vethf2de5d4

而 172.18.0.1正是bridge docker_gwbridge的IP，也就是说 docker_gwbridge是该节点的所有容器的网关。

由于容器的IP是172.18.0.0/16私有IP地址段，不能出公网，因此必然通过NAT实现容器IP与主机IP地址转换，查看iptables nat表如下：

# iptables-save -t nat  | grep -- '-A POSTROUTING'-A POSTROUTING -s 172.18.0.0/16 ! -o docker_gwbridge -j MASQUERADE

由此可验证容器是通过NAT出去的。

我们发现其实容器南北流量用的其实就是Docker最原生的bridge网络模型，只是把 docker0换成了 docker_gwbridge。如果容器不需要出互联网，创建Overlay网络时可以指定 --internal参数，此时容器只有一个Overlay网络的网卡，不会创建eth2。

2.3 容器东西向流量

容器东西流量指容器之间的通信，这里特指跨主机的容器间通信。

显然容器是通过eth0实现与其他容器通信的：

# docker exec busybox-node-1 ip link show eth0
75: eth0@if76: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1450 qdisc noqueue
    link/ether 02:42:0a:14:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

# ./find_links.sh 76
1-19c5d1a7ef:
76: veth0@if75: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master br0 state UP mode DEFAULT group default     link/ether 6a:ce:89:a2:89:4a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1

eth0的对端设备ifindex为76，通过 find_links.sh脚本查找ifindex 76在 1-19c5d1a7ef namespace下，名称为 veth0，并且master为br0，因此veth0挂到了br0 bridge下。

通过 docker_netns.sh脚本可以快速进入指定的namespace执行命令：

# ./docker_netns.sh 1-19c5d1a7ef ip link show veth0
76: veth0@if75: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master br0 state UP mode DEFAULT group default
    link/ether 6a:ce:89:a2:89:4a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1

# ./docker_netns.sh 1-19c5d1a7ef brctl show
bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
br0             8000.6ace89a2894a       no              veth0
                                                        vxlan0

可见除了veth0，bridge还绑定了vxlan0：

./docker_netns.sh 1-19c5d1a7ef ip -c -d link show vxlan074: vxlan0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master br0 state UNKNOWN mode DEFAULT group default    link/ether 96:9d:64:39:76:4e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0 promiscuity 1    vxlan id 256 srcport 0 0 dstport 4789 proxy l2miss l3miss ttl inherit ageing 300 udpcsum noudp6zerocsumtx noudp6zerocsumrx...

vxlan0是一个VxLan虚拟网络设备，因此可以推断Docker Overlay是通过vxlan隧道实现跨主机通信的。这里直接引用Deep dive into docker overlay networks part 1的图：

图中192.168.0.0/16对应前面的10.20.0.0/16网段。

2.4 ARP代理

如前面所述，跨主机的两个容器虽然是通过Overlay通信的，但容器自己却不知道，他们只认为彼此都在一个二层中（同一个子网），或者说大二层。我们知道二层是通过MAC地址识别对方的，通过ARP协议广播学习获取IP与MAC地址转换。当然通过Vxlan隧道广播ARP包理论上也没有问题，问题是该方案将导致广播包过多，广播的成本会很大。

和OpenStack Neutron的L2 Population原理一样，Docker也是通过ARP代理+静态配置解决ARP广播问题。我们知道，虽然Linux底层除了通过自学习方式外无法知道目标IP的MAC地址是什么，但是应用却很容易获取这些信息，比如Neutron的数据库中就保存着Port信息，Port中就有IP和MAC地址。Docker也一样会把endpoint信息保存到KV数据库中，如etcd：

有了这些数据完全可以实现通过静态配置的方式填充IP和MAC地址表（neigh表)替换使用ARP广播的方式。因此vxlan0还负责了本地容器的ARP代理：

./docker_netns.sh  2-19c5d1a7ef ip -d -o link show vxlan0 | grep proxy_arp

而vxlan0代理回复时直接查找本地的neigh表回复即可，而本地neigh表则是Docker静态配置，可查看Overlay网络namespaced neigh表：

# ./docker_netns.sh 3-19c5d1a7ef ip neigh20.20.0.3 dev vxlan0 lladdr 02:42:0a:14:00:03 PERMANENT10.20.0.4 dev vxlan0 lladdr 02:42:0a:14:00:04 PERMANENT

记录中的 PERMANENT说明是静态配置而不是通过学习获取的，IP 10.20.0.3、10.20.0.4正是另外两个容器的IP地址。

每当有新的容器创建时，Docker通过Serf以及Gossip协议通知节点更新本地neigh ARP表。

2.5 VTEP表静态配置

前面介绍的ARP代理属于L2层问题，而容器的数据包最终还是通过Vxlan隧道传输的，那自然需要解决的问题是这个数据包应该传输到哪个node节点？如果只是两个节点，创建vxlan隧道时可以指定本地ip（local IP)和对端IP(remote IP)建立点对点通信，但实际上显然不可能只有两个节点。

我们不妨把Vxlan出去的物理网卡称为VTEP（VXLAN Tunnel Endpoint），它会有一个可路由的IP，即Vxlan最终封装后的外层IP。通过查找VTEP表决定数据包应该传输到哪个remote VTEP：

VTEP表和ARP表类似，也可以通过广播洪泛的方式学习，但显然同样存在性能问题，实际上也很少使用这种方案。在硬件SDN中通常使用BGP EVPN技术实现Vxlan的控制平面。

而Docker解决的办法和ARP类似，通过静态配置的方式填充VTEP表，我们可以查看容器网络namespace的转发表(Forward database，简称fdb)，

./docker_netns.sh 3-19c5d1a7ef bridge fdb...02:42:0a:14:00:04 dev vxlan0 dst 192.168.1.245 link-netnsid 0 self permanent02:42:0a:14:00:03 dev vxlan0 dst 192.168.1.254 link-netnsid 0 self permanent...

可见MAC地址02:42:0a:14:00:04的对端VTEP地址为192.168.1.245,而02:42:0a:14:00:03的对端VTEP地址为192.168.1.254,两条记录都是 permanent，即静态配置的，而这些数据来源依然是KV数据库，endpoint中 locator即为容器的node IP。

2.6 总结

容器使用Docker原生Overlay网络默认会创建两张虚拟网卡，其中一张网卡通过bridge以及NAT出容器外部，即负责南北流量。另一张网卡通过Vxlan实现跨主机容器通信，为了减少广播，Docker通过读取KV数据静态配置ARP表和FDB表，容器创建或者删除等事件会通过Serf以及Gossip协议通知Node更新ARP表和FDB表。

三、和Docker Overlay差不多的Weave

weave是weaveworks公司提供的容器网络方案，实现上和Docker原生Overlay网络有点类似。

初始化三个节点192.168.1.68、192.168.1.254、192.168.1.245如下：

weave launch --ipalloc-range 172.111.222.0/24 192.168.1.68 192.168.1.254 192.168.1.245

分别在三个节点启动容器：

# node-1docker run -d --name busybox-node-1 --net weave busybox sleep 3600# node-2docker run -d --name busybox-node-2 --net weave busybox sleep 3600# node-3docker run -d --name busybox-node-3 --net weave busybox sleep 3600

在容器中我们相互ping：

从结果发现，Weave实现了跨主机容器通信，另外我们容器有两个虚拟网卡，一个是Docker原生的桥接网卡eth0，用于南北通信，另一个是Weave附加的虚拟网卡ethwe0，用于容器跨主机通信。

另外查看容器的路由：

# docker exec -t -i busybox-node-$NODE ip rdefault via 172.18.0.1 dev eth0172.18.0.0/16 dev eth0 scope link  src 172.18.0.2172.111.222.0/24 dev ethwe0 scope link  src 172.111.222.128224.0.0.0/4 dev ethwe0 scope link

其中 224.0.0.0/4是一个组播地址，可见Weave是支持组播的，参考Container Multicast Networking: Docker & Kubernetes | Weaveworks.

我们只看第一个容器的ethwe0，VETH对端ifindex为14：

# ./find_links.sh 14default:14: vethwl816281577@if13: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1376 qdisc noqueue    master weave state UP mode DEFAULT group default    link/ether de:12:50:59:f0:d9 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

可见ethwe0的对端在default namespace下，名称为 vethwl816281577，该虚拟网卡桥接到 weave bridge下：

# brctl show weavebridge name     bridge id               STP enabled     interfacesweave           8000.d2939d07704b       no              vethwe-bridge                                                        vethwl816281577

weave bridge下除了有 vethwl816281577，还有 vethwe-bridge:

# ip link show vethwe-bridge9: vethwe-bridge@vethwe-datapath: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1376 qdisc noqueue    master weave state UP mode DEFAULT group default    link/ether 0e:ee:97:bd:f6:25 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

可见 vethwe-bridge与 vethwe-datapath是一个VETH对，我们查看对端 vethwe-datapath：

# ip -d link show vethwe-datapath8: vethwe-datapath@vethwe-bridge: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1376 qdisc noqueue    master datapath state UP mode DEFAULT group default    link/ether f6:74:e9:0b:30:6d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 1    veth    openvswitch_slave addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535

vethwe-datapath的master为 datapath，由 openvswitch_slave可知 datapath应该是一个openvswitch bridge，而 vethwe-datapath挂到了 datapath桥下，作为 datapath的port。

为了验证，通过ovs-vsctl查看：

# ovs-vsctl show96548648-a6df-4182-98da-541229ef7b63    ovs_version: "2.9.2"

使用 ovs-vsctl发现并没有 datapath这个桥。官方文档中fastdp how it works中解释为了提高网络性能，没有使用用户态的OVS，而是直接操纵内核的datapath。使用 ovs-dpctl命令可以查看内核datapath：

# ovs-dpctl showsystem@datapath:        lookups: hit:109 missed:1508 lost:3        flows: 1        masks: hit:1377 total:1 hit/pkt:0.85        port 0: datapath (internal)        port 1: vethwe-datapath        port 2: vxlan-6784 (vxlan: packet_type=ptap)

可见datapath类似于一个OVS bridge设备，负责数据交换，该设备包含三个port：

• port 0: datapath (internal)

• port 1: vethwe-datapath

• port 2: vxlan-6784

除了 vethwe-datapath，还有一个 vxlan-6784，由名字可知这是一个vxlan：

# ip -d link show vxlan-678410: vxlan-6784: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 65535 qdisc noqueue    master datapath state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000    link/ether d2:21:db:c1:9b:28 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 1    vxlan id 0 srcport 0 0 dstport 6784 nolearning ttl inherit ageing 300 udpcsum noudp6zerocsumtx udp6zerocsumrx external    openvswitch_slave addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535

最后Weave的网络流量图如下：

四、简单优雅的Flannel

4.1 Flannel简介

Flannel网络是目前最主流的容器网络之一，同时支持overlay（如vxlan）和路由(如host-gw）两种模式。

Flannel和Weave以及Docker原生overlay网络不同的是，后者的所有Node节点共享一个子网，而Flannel初始化时通常指定一个16位的网络，然后每个Node单独分配一个独立的24位子网。由于Node都在不同的子网，跨节点通信本质为三层通信，也就不存在二层的ARP广播问题了。

另外，我认为Flannel之所以被认为非常简单优雅的是，不像Weave以及Docker Overlay网络需要在容器内部再增加一个网卡专门用于Overlay网络的通信，Flannel使用的就是Docker最原生的bridge网络，除了需要为每个Node配置subnet(bip)外，几乎不改变原有的Docker网络模型。

4.2 Flannel Overlay网络

我们首先以Flannel Overlay网络模型为例，三个节点的IP以及Flannel分配的子网如下：

在三个集成了Flannel网络的Node环境下分别创建一个 busybox容器：

docker run -d --name busybox busybox:latest sleep 36000

容器列表如下：

查看容器namespace的网络设备：

# ./docker_netns.sh busybox ip -d -c  link416: eth0@if417: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 8951 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default    link/ether 02:42:28:0f:2b:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0 promiscuity 0    veth addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535

和Docker bridge网络一样只有一张网卡eth0，eth0为veth设备，对端的ifindex为417.

我们查找下ifindex 417的link信息：

# ./find_links.sh 417default:417: veth2cfe340@if416: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 8951 qdisc noqueue master docker0 state UP mode DEFAULT group default     link/ether 26:bd:de:86:21:78 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

可见ifindex 417在default namespace下，名称为 veth2cfe340并且master为docker0，因此挂到了docker0的bridge下。

# brctl showbridge name     bridge id               STP enabled     interfacesdocker0         8000.0242d6f8613e       no              veth2cfe340                                                        vethd1fae9ddocker_gwbridge         8000.024257f32054       no

和Docker原生的bridge网络没什么区别，那它是怎么解决跨主机通信的呢？

实现跨主机通信，要么Overlay隧道封装，要么静态路由，显然docker0没有看出有什么overlay的痕迹，因此只能通过路由实现了。

不妨查看下本地路由如下：

# ip rdefault via 192.168.1.1 dev eth0 proto dhcp src 192.168.1.68 metric 10040.15.26.0/24 via 40.15.26.0 dev flannel.1 onlink40.15.43.0/24 dev docker0 proto kernel scope link src 40.15.43.140.15.56.0/24 via 40.15.56.0 dev flannel.1 onlink...

我们只关心40.15开头的路由，忽略其他路由，我们发现除了40.15.43.0/24直接通过docker0直连外，其他均路由转发到了 flannel.1。而40.15.43.0/24为本地Node的子网，因此在同一宿主机的容器直接通过docker0通信即可。

我们查看 flannel.1的设备类型：

413: flannel.1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 8951 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default    link/ether 0e:08:23:57:14:9a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0    vxlan id 1 local 192.168.1.68 dev eth0 srcport 0 0 dstport 8472 nolearning ttl inherit ageing 300     udpcsum noudp6zerocsumtx noudp6zerocsumrx addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535

可见 flannel.1是一个Linux Vxlan设备，其中 .1为VNI值，不指定默认为1。

由于不涉及ARP因此不需要proxy参数实现ARP代理，而本节点的容器通信由于在一个子网内，因此直接ARP自己学习即可，不需要Vxlan设备学习，因此有个nolearning参数。

而 flannel.1如何知道对端VTEP地址呢？我们依然查看下转发表fdb：

bridge fdb | grep flannel.14e:55:ee:0a:90:38 dev flannel.1 dst 192.168.1.245 self permanentda:17:1b:07:d3:70 dev flannel.1 dst 192.168.1.254 self permanent

其中192.168.1.245、192.168.1.254正好是另外两个Node的IP，即VTEP地址，而 4e:55:ee:0a:90:38以及 da:17:1b:07:d3:70为对端的 flannel.1设备的MAC地址，由于是 permanent表，因此可推测是由flannel静态添加的，而这些信息显然可以从etcd获取：

# for subnet in $(etcdctl ls /coreos.com/network/subnets); do etcdctl get $subnet;done{"PublicIP":"192.168.1.68","BackendType":"vxlan","BackendData":{"VtepMAC":"0e:08:23:57:14:9a"}}{"PublicIP":"192.168.1.254","BackendType":"vxlan","BackendData":{"VtepMAC":"da:17:1b:07:d3:70"}}{"PublicIP":"192.168.1.245","BackendType":"vxlan","BackendData":{"VtepMAC":"4e:55:ee:0a:90:38"}}

因此Flannel的Overlay网络实现原理简化如图：

可见除了增加或者减少Node，需要Flannel配合配置静态路由以及fdb表，容器的创建与删除完全不需要Flannel干预，事实上Flannel也不需要知道有没有新的容器创建或者删除。

4.3 Flannel host-gw网络

前面介绍Flannel通过Vxlan实现跨主机通信，其实Flannel支持不同的backend，其中指定backend type为host-gw支持通过静态路由的方式实现容器跨主机通信，这时每个Node都相当于一个路由器，作为容器的网关，负责容器的路由转发。

需要注意的是，如果使用AWS EC2，使用Flannel host-gw网络需要禁用MAC地址欺骗功能，如图：

使用OpenStack则最好禁用Neutron的port security功能。

同样地，我们在三个节点分别创建busybox容器，结果如下：

我们查看192.168.1.68的本地路由：

# ip rdefault via 192.168.1.1 dev eth0 proto dhcp src 192.168.1.68 metric 10040.15.26.0/24 via 192.168.1.254 dev eth040.15.43.0/24 dev docker0 proto kernel scope link src 40.15.43.140.15.56.0/24 via 192.168.1.245 dev eth0...

我们只关心40.15前缀的路由，发现40.15.26.0/24的下一跳为192.168.1.254，正好为node2 IP，而40.15.43.0/24的下一跳为本地docker0，因为该子网就是node所在的子网，40.15.56.0/24的下一跳为192.168.1.245，正好是node3 IP。可见，Flannel通过配置静态路由的方式实现容器跨主机通信，每个Node都作为路由器使用。

host-gw的方式相对Overlay由于没有vxlan的封包拆包过程，直接路由就过去了，因此性能相对要好。不过正是由于它是通过路由的方式实现，每个Node相当于是容器的网关，因此每个Node必须在同一个LAN子网内，否则跨子网由于链路层不通导致无法实现路由导致host-gw实现不了。

4.4 Flannel利用云平台路由实现跨主机通信

前面介绍的host-gw是通过修改主机路由表实现容器跨主机通信，如果能修改主机网关的路由当然也是没有问题的，尤其是和SDN结合方式动态修改路由。

目前很多云平台均实现了自定义路由表的功能，比如OpenStack、AWS等，Flannel借助这些功能实现了很多公有云的VPC后端，通过直接调用云平台API修改路由表实现容器跨主机通信，比如阿里云、AWS、Google云等，不过很可惜官方目前好像还没有实现OpenStack Neutron后端。

下面以AWS为例，创建了如下4台EC2虚拟机：

• node-1: 197.168.1.68/24

• node-2: 197.168.1.254/24

• node-3: 197.168.1.245/24

• node-4: 197.168.0.33/24

注意第三台和其余两台不在同一个子网。

三台EC2均关联了flannel-role，flannel-role关联了flannel-policy，policy的权限如下：

{    "Version": "2012-10-17",    "Statement": [        {            "Sid": "VisualEditor0",            "Effect": "Allow",            "Action": [                "ec2:DescribeInstances",                "ec2:CreateRoute",                "ec2:DeleteRoute",                "ec2:ModifyInstanceAttribute",                "ec2:DescribeRouteTables",                "ec2:ReplaceRoute"            ],            "Resource": "*"        }    ]}

即EC2实例需要具有修改路由表等相关权限。

之前一直很疑惑AWS的role如何与EC2虚拟机关联起来的。换句话说，如何实现虚拟机无需配置Key和Secretd等认证信息就可以直接调用AWS API，通过awscli的 --debug信息可知awscli首先通过metadata获取role信息，再获取role的Key和Secret：

关于AWS如何知道调用metadata的是哪个EC2实例，可参考之前的文章OpenStack虚拟机如何获取metadata.

另外所有EC2实例均禁用了MAC地址欺骗功能（Change Source/Dest Check），安全组允许flannel网段40.15.0.0/16通过，另外增加了如下iptables规则：

iptables -I FORWARD --dest 40.15.0.0/16 -j ACCEPTiptables -I FORWARD --src 40.15.0.0/16 -j ACCEPT

flannel配置如下：

# etcdctl get /coreos.com/network/config | jq .{  "Network": "40.15.0.0/16",  "Backend": {    "Type": "aws-vpc"  }}

启动flannel，自动为每个Node分配24位子网，网段如下：

我们查看node-1、node-2、node-3关联的路由表如图：

node-4关联的路由表如图:

由此可见，每增加一个Flannel节点，Flannel就会调用AWS API在EC2实例的子网关联的路由表上增加一条记录，Destination为该节点分配的Flannel子网，Target为该EC2实例的主网卡。

在4个节点分别创建一个busybox容器，容器IP如下：

所有节点ping node-4的容器，如图：

我们发现所有节点都能ping通node-4的容器。但是node-4的容器却ping不通其余容器：

这是因为每个Node默认只会添加自己所在路由的记录。node-4没有node-1 ~ node-3的路由信息，因此不通。

可能有人会问，node1 ~ node3也没有node4的路由，那为什么能ping通node4的容器呢？这是因为我的环境中node1 ~ node3子网关联的路由是NAT网关，node4是Internet网关，而NAT网关的子网正好是node1 ~ node4关联的子网，因此node1 ~ node3虽然在自己所在的NAT网关路由没有找到node4的路由信息，但是下一跳到达Internet网关的路由表中找到了node4的路由，因此能够ping通，而node4找不到node1 ~ node3的路由，因此都ping不通。

以上只是默认行为，Flannel可以通过 RouteTableID参数配置Node需要更新的路由表，我们只需要增加如下两个子网的路由如下：

# etcdctl get  /coreos.com/network/config | jq .{  "Network": "40.15.0.0/16",  "Backend": {    "Type": "aws-vpc",    "RouteTableID": [      "rtb-0686cdc9012674692",      "rtb-054dfd5f3e47102ae"    ]  }}

重启Flannel服务，再次查看两个路由表：

我们发现两个路由表均添加了node1 ~ node4的Flannel子网路由。

此时四个节点的容器能够相互ping通。

从中我们发现，aws-vpc解决了host-gw不能跨子网的问题，Flannel官方也建议如果使用AWS，推荐使用aws-vpc替代overlay方式，能够获取更好的性能：

When running within an Amazon VPC, we recommend using the aws-vpc backend which, instead of using encapsulation, manipulates IP routes to achieve maximum performance. Because of this, a separate flannel interface is not created.

The biggest advantage of using flannel AWS-VPC backend is that the AWS knows about that IP. That makes it possible to set up ELB to route directly to that container.

另外，由于路由是添加到了主机网关上，因此只要关联了该路由表，EC2实例是可以从外面直接ping通容器的，换句话说，同一子网的EC2虚拟机可以直接与容器互通。

不过需要注意的是，AWS路由表默认最多支持50条路由规则，这限制了Flannel节点数量，不知道AWS是否支持增加配额功能。另外目前最新版的Flannel v0.10.0好像对aws-vpc支持有点问题，再官方修复如上问题之前建议使用Flannel v0.8.0版本。

五、黑科技最多的Calico

5.1 Calico环境配置

Calico和Flannel host-gw类似都是通过路由实现跨主机通信,区别在于Flannel通过flanneld进程逐一添加主机静态路由实现，而Calico则是通过BGP实现节点间路由规则的相互学习广播。

这里不详细介绍BGP的实现原理，仅研究容器是如何通信的。

创建了3个节点的calico集群，ip pool配置如下：

# calicoctl  get ipPool -o yaml- apiVersion: v1  kind: ipPool  metadata:    cidr: 197.19.0.0/16  spec:    ipip:      enabled: true      mode: cross-subnet    nat-outgoing: true- apiVersion: v1  kind: ipPool  metadata:    cidr: fd80:24e2:f998:72d6::/64  spec: {}

Calico分配的ip如下：

for host in $(etcdctl --endpoints $ENDPOINTS ls /calico/ipam/v2/host/); do
    etcdctl --endpoints $ENDPOINTS ls  $host/ipv4/block | awk -F '/' '{sub(/-/,"/",$NF)}{print $6,$NF}'
done | sort

int32bit-docker-1 197.19.38.128/26
int32bit-docker-2 197.19.186.192/26
int32bit-docker-3 197.19.26.0/26

由此可知，Calico和Flannel一样，每个节点分配一个子网，只不过Flannel默认分24位子网，而Calico分的是26位子网。

三个节点分别创建busybox容器：

相互ping通没有问题。

5.2 Calico容器内部网络

我们查看容器的link设备以及路由：

# ./docker_netns.sh busybox ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: tunl0@NONE: <NOARP> mtu 1480 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
    link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0
14: cali0@if15: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether ee:ee:ee:ee:ee:ee brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 197.19.38.136/32 brd 197.19.38.136 scope global cali0
       valid_lft forever preferred_lft forever

# ./docker_netns.sh busybox ip r
default via 169.254.1.1 dev cali0
169.254.1.1 dev cali0 scope link

有如下几点个人感觉很神奇：

• 所有容器的MAC地址都是 ee:ee:ee:ee:ee:ee，

• 网关地址是169.254.1.1，然而我找尽了所有的namespaces也没有找到这个IP。

这两个问题在Calico官方的faq中有记录#1 Why do all cali* interfaces have the MAC address ee:ee:ee:ee:ee:ee?、#2 Why can’t I see the 169.254.1.1 address mentioned above on my host?。

针对第一个问题，官方认为不是所有的内核都能支持自动分配MAC地址，所以干脆Calico自己指定MAC地址，而Calico完全使用三层路由通信，MAC地址是什么其实无所谓，因此直接都使用 ee:ee:ee:ee:ee:ee。

第二个问题，回顾之前的网络模型，大多数都是把容器的网卡通过VETH连接到一个bridge设备上，而这个bridge设备往往也是容器网关，相当于主机上多了一个虚拟网卡配置。Calico认为容器网络不应该影响主机网络，因此容器的网卡的VETH另一端没有经过bridge直接挂在默认的namespace中。而容器配的网关其实也是假的，通过proxy_arp修改MAC地址模拟了网关的行为，所以网关IP是什么也无所谓，那就直接选择了local link的一个ip，这还节省了容器网络的一个IP。我们可以抓包看到ARP包：

可以看到容器网卡的对端 calia2656637189直接代理回复了ARP，因此出去网关时容器的包会直接把MAC地址修改为 06:66:26:8e:b2:67,即伪网关的MAC地址。

有人可能会说那如果在同一主机的容器通信呢？他们应该在同一个子网，容器的MAC地址都是一样那怎么进行二层通信呢？仔细看容器配置的IP掩码居然是32位的，那也就是说跟谁都不在一个子网了，也就不存在二层的链路层直接通信了。

5.3 Calico主机路由

前面提到Calico通过BGP动态路由实现跨主机通信，我们查看主机路由如下，其中197.19.38.139、197.19.38.140是在本机上的两个容器IP：

# ip r | grep 197.19197.19.26.0/26 via 192.168.1.245 dev eth0 proto birdblackhole 197.19.38.128/26 proto bird197.19.38.139 dev calia2656637189 scope link197.19.38.140 dev calie889861df72 scope link197.19.186.192/26 via 192.168.1.254 dev eth0 proto bird

我们发现跨主机通信和Flannel host-gw完全一样，下一跳直接指向hostIP，把host当作容器的网关。不一样的是到达宿主机后，Flannel会通过路由转发流量到bridge设备中，再由bridge转发给容器，而Calico则为每个容器的IP生成一条明细路由，直接指向容器的网卡对端。因此如果容器数量很多的话，主机路由规则数量也会越来越多，因此才有了路由反射，这里不过多介绍。

里面还有一条blackhole路由，如果来的IP是在host分配的容器子网197.19.38.128/26中，而又不是容器的IP，则认为是非法地址，直接丢弃。

5.4 Calico多网络支持

在同一个集群上可以同时创建多个Calico网络：

# docker network ls | grep calicoad7ca8babf01        calico-net-1        calico              global5eaf3984f69d        calico-net-2        calico              global

我们使用另一个Calico网络calico-net-2创建一个容器：

docker run -d --name busybox-3 --net calico-net-2 busybox sleep 36000
# docker exec busybox-3 ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: tunl0@NONE: <NOARP> mtu 1480 qdisc noop qlen 1000
    link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0
24: cali0@if25: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue
    link/ether ee:ee:ee:ee:ee:ee brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 197.19.38.141/32 brd 197.19.38.141 scope global cali0
       valid_lft forever preferred_lft forever

# ip r | grep 197.19
197.19.26.0/26 via 192.168.1.245 dev eth0 proto bird
blackhole 197.19.38.128/26 proto bird
197.19.38.139 dev calia2656637189 scope link
197.19.38.140 dev calie889861df72 scope link
197.19.38.141 dev calib12b038e611 scope link
197.19.186.192/26 via 192.168.1.254 dev eth0 proto bird

我们发现在同一个主机不在同一个网络的容器IP地址在同一个子网，那不是可以通信呢?

我们发现虽然两个跨网络的容器分配的IP在同一个子网，但居然实现了隔离。

如果使用诸如vxlan的overlay网络，很好猜测是怎么实现隔离的，无非就是使用不同的VNI。但Calico没有使用overlay，直接使用路由通信，而且不同网络的子网还是重叠的，它是怎么实现隔离的呢。

要在同一个子网实现隔离，我们猜测实现方式只能是逻辑隔离，即通过本地防火墙如iptables实现。

查看了下Calico生成的iptables规则发现太复杂了，各种包mark。由于决定包的放行或者丢弃通常是在filter表实现，而不是发往主机的自己的包应该在FORWARD链中，因此我们直接研究filter表的FORWARD表。

# iptables-save -t filter | grep -- '-A FORWARD'-A FORWARD -m comment --comment "cali:wUHhoiAYhphO9Mso" -j cali-FORWARD...

Calico把cali-FORWARD子链挂在了FORWARD链上，comment中的一串看起来像随机字符串 cali:wUHhoiAYhphO9Mso不知道是干嘛的。

# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-FORWARD'-A cali-FORWARD -i cali+ -m comment --comment "cali:X3vB2lGcBrfkYquC" -j cali-from-wl-dispatch-A cali-FORWARD -o cali+ -m comment --comment "cali:UtJ9FnhBnFbyQMvU" -j cali-to-wl-dispatch-A cali-FORWARD -i cali+ -m comment --comment "cali:Tt19HcSdA5YIGSsw" -j ACCEPT-A cali-FORWARD -o cali+ -m comment --comment "cali:9LzfFCvnpC5_MYXm" -j ACCEPT...

cali+表示所有以cali为前缀的网络接口，即容器的网卡对端设备。由于我们只关心发往容器的流量方向，即从caliXXX发往容器的流量，因此我们只关心条件匹配的 -o cali+的规则，从如上可以看出所有从 cali+出来的流量都跳转到了 cali-to-wl-dispatch子链处理，其中 wl是workload的缩写，workload即容器。

# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-to-wl-dispatch'-A cali-to-wl-dispatch -o calia2656637189 -m comment --comment "cali:TFwr8sfMnFH3BUla" -g cali-tw-calia2656637189-A cali-to-wl-dispatch -o calib12b038e611 -m comment --comment "cali:ZbRb0ozg-GGeUfRA" -g cali-tw-calib12b038e611-A cali-to-wl-dispatch -o calie889861df72 -m comment --comment "cali:5OoGv50NzX0sKdMg" -g cali-tw-calie889861df72-A cali-to-wl-dispatch -m comment --comment "cali:RvicCiwAy9cIEAKA" -m comment --comment "Unknown interface" -j DROP

从子链名字也可以看出 cali-to-wl-dispatch是负责流量的分发的，即根据具体的流量出口引到具体的处理流程子链，从X出来的，由cali-tw-X处理，从Y出来的，由cali-tw-Y处理，依次类推，其中 tw为 to workload的简写。

我们假设是发往busybox 197.19.38.139这个容器的，对应的主机虚拟设备为 calia2656637189，则跳转子链为 cali-tw-calia2656637189：

# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-tw-calia2656637189'-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:259EHpBvnovN8_q6" -m conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:YLokMEiVkZggfg9R" -m conntrack --ctstate INVALID -j DROP-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:pp8a6fGxqaALtRK5" -j MARK --set-xmark 0x0/0x1000000-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:bgw2sCtlIfZjhXLA" -j cali-pri-calico-net-1-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:1Z2NvhoS27pP03Ll" -m comment --comment "Return if profile accepted" -m mark --mark 0x1000000/0x1000000 -j RETURN-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:mPb8hORsTXeVt7yC" -m comment --comment "Drop if no profiles matched" -j DROP

其中第1、2条规则在深入浅出OpenStack安全组实现原理中介绍过，不再赘述。

第三条规则注意使用的是 set-xmark而不是 set-mark，为什么不用 set-mark，这是由于 set-mark会覆盖原来的值。而 set-xmark value/netmask，表示 X=(X&(~netmask))^value， --set-xmark0x0/0x1000000的意思就是把X的第25位重置为0，其他位保留不变。

这个mark位的含义我在官方中没有找到，在Calico网络的原理、组网方式与使用这篇文章找到了相关资料：

node一共使用了3个标记位，0x7000000对应的标记位

0x1000000: 报文的处理动作，置1表示放行，默认0表示拒绝

0x2000000: 是否已经经过了policy规则检测，置1表示已经过

0x4000000: 报文来源，置1，表示来自host-endpoint

即第25位表示报文的处理动作，为1表示通过，0表示拒绝，第5、6条规则也可以看出第25位的意义，匹配0x1000000/0x1000000直接RETRUN，不匹配的直接DROP。

因此第3条规则的意思就是清空第25位标志位重新评估，谁来评估呢？这就是第4条规则的作用，根据虚拟网络设备cali-XXX所处的网络跳转到指定网络的子链中处理，由于 calia2656637189属于calico-net-1，因此会跳转到 cali-pri-calico-net-1子链处理。

我们观察 cali-pri-calico-net-1的规则：

# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-pri-calico-net-1'-A cali-pri-calico-net-1 -m comment --comment "cali:Gvse2HBGxQ9omCdo" -m set --match-set cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKubo src -j MARK --set-xmark 0x1000000/0x1000000-A cali-pri-calico-net-1 -m comment --comment "cali:0vZpvvDd_5bT7g_k" -m mark --mark 0x1000000/0x1000000 -j RETURN

规则很简单，只要IP在cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKubo在这个ipset集合中就设置mark第25位为1，然后RETURN，否则如果IP不在ipset中则直接DROP（子链的默认行为为DROP)。

# ipset list cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKuboName: cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKuboType: hash:ipRevision: 4Header: family inet hashsize 1024 maxelem 1048576Size in memory: 280References: 1Number of entries: 4Members:197.19.38.143197.19.26.7197.19.186.199197.19.38.144

到这里终于真相大白了，Calico是通过iptables + ipset实现多网络隔离的，同一个网络的IP会加到同一个ipset集合中，不同网络的IP放到不同的ipset集合中，最后通过iptables的set模块匹配ipset集合的IP，如果src IP在指定的ipset中则允许通过，否则DROP。

5.5 Calico跨网段通信

我们知道Flannel host-gw不支持Node主机跨网段，Calico是否支持呢，为此我增加了一个node-4(192.168.0.33/24)，显然和其他三个Node不在同一个子网。

在新的Node中启动一个busybox：

docker run -d --name busybox-node-4 --net calico-net-1 busybox sleep 36000
docker exec busybox-node-4 ping -c 1 -w 1 197.19.38.144
PING 197.19.38.144 (197.19.38.144): 56 data bytes
64 bytes from 197.19.38.144: seq=0 ttl=62 time=0.539 ms

--- 197.19.38.144 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.539/0.539/0.539 ms

验证发现容器通信时没有问题的。

查看node-1路由：

# ip r | grep 197.19197.19.26.0/26 via 192.168.1.245 dev eth0 proto birdblackhole 197.19.38.128/26 proto bird197.19.38.142 dev cali459cc263d36 scope link197.19.38.143 dev cali6d0015b0c71 scope link197.19.38.144 dev calic8e5fab61b1 scope link197.19.65.128/26 via 192.168.0.33 dev tunl0 proto bird onlink197.19.186.192/26 via 192.168.1.254 dev eth0 proto bird

和其他路由不一样的是，我们发现197.19.65.128/26是通过tunl0出去的：

# ip -d link show tunl05: tunl0@NONE: <NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1440 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000    link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0 promiscuity 0    ipip any remote any local any ttl inherit nopmtudisc addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535# ip -d tunnel showtunl0: any/ip remote any local any ttl inherit nopmtudisc

由此可知，如果节点跨网段，则Calico通过ipip隧道传输，相当于走的是overlay。

对比Flannel host-gw，除了静态与BGP动态路由配置的区别，Calico还通过iptables + ipset解决了多网络支持问题，通过ipip隧道实现了节点跨子网通信问题。

另外，某些业务或者POD需要固定IP，比如POD从一个节点迁移到另一个节点保持IP不变，这种情况下可能导致容器的IP不在节点Node上分配的子网范围内，Calico可以通过添加一条32位的明细路由实现，Flannel不支持这种情况。

因此相对来说Calico实现的功能相对要多些，但是，最终也导致Calico相对Flannel要复杂得多，运维难度也较大，光一堆iptables规则就不容易理清了。

六、与OpenStack网络集成的Kuryr

Kuryr是OpenStack中一个较新的项目，其目标是“Bridge between container framework networking and storage models to OpenStack networking and storage abstractions.”,即实现容器与OpenStack的网络集成，该方案实现了与虚拟机、裸机相同的网络功能和互通，比如多租户、安全组等。

网络模型和虚拟机基本一样，唯一区别在于虚拟机是通过TAP设备直接挂到虚拟机设备中的，而容器则是通过VETH连接到容器的namespace。

    vm               Container        whatever
    |                    |                |
   tapX                tapY             tapZ
    |                    |                |
    |                    |                |
  qbrX                 qbrY             qbrZ
    |                    |                |
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    |               br-int(OVS)           |
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                         |
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    |               br-tun(OVS)           |
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