QEMU/KVM中的网络虚拟化--Part1 Overview

这是个网络虚拟化系列博客从最基础的QEMU网络虚拟化的配置，逐步介绍网络虚拟化技术类型、原理和源码实现。这篇博客是网络虚拟化系列博客的第一篇，主要介绍QEMU中对网络虚拟化相关的high-level ideas、QEMU中网络参数的配置说明以及概括了不同的网络连接方式。

Prerequist & Important terms to know

1. NAT协议
2. NIC (Network interface card)

basic network command

1. hostname -I 查看本机IP地址
2. ip a
3. ip route
4. brctl show
5. arping

High-level ideas

我们拿到一台新的主机，配置主机的网络，让电脑可以联网，至少需要满足以下几个条件：

1. 主机上有物理网卡/无限网卡
2. 主机通过网线/Wi-Fi连接到路由器上
3. 配置主机的IP、网关IP地址、DNS服务器IP

同样的，对于一台虚拟机来说，要让虚拟机可以上网，虚拟机也需要满足以下几个条件：

1. 虚拟机上有虚拟网卡（vNIC）
   • 从逻辑上来说，这属于虚拟机（guest），叫做前端设备，比如虚拟网卡，前端主要负责与虚拟机打交道，管理虚拟机的 I/O
2. 虚拟机通过一些设置连接到路由器上
   • 从逻辑上来说物理机（host）上有对应的接口来处理虚拟机请求，叫做后端设备，比如网卡对应的tap后端设备，后端主要与宿主机打交道，将虚拟机的I/O请求转换为宿主机上的I/O请求。
   • 一些后端设备有：
     1. “user” back-end:通过 NAT 提供对主机网络的访问
     2. “tap” back-end:允许guest直接访问host网络
     3. “socket” back-end: 用于连接多个 QEMU 实例为guest模拟共享网络

从QEMU的角度来看，对网络设备的虚拟化就由前后端两个部分组成：

• the virtual network device that is provided to the guest (e.g. a PCI network card).
• the network backend that interacts with the emulated NIC (e.g. puts packets onto the host’s network).

QEMU network configuration in details

现在我们来看一个qemu启动虚拟机时的网络参数设置，来理解虚拟机中的网络。

qemu-system-x86_64 -hda /path/to/hda.img -net nic,model=e1000,netdev=foo -netdev tap,ifname=tap0,script=no,downscript=no,id=foo

其中，-net是一个比较大类的参数项，用于为guest设置网络连接，其既可以用于设置前端设备也可以用于设置后端设备

• -net nic表示在虚拟机中创建虚拟网卡（前端设备）
  • model表示创建网卡类型，e1000,rtl8139,virtio等等
  • netdev表示所使用的后端设备id
• -net user表示设置虚拟NAT子网（后端设备），通过 NAT 提供对主机网络的访问

-netdev仅用于设置网络后端设备

• tap表示使用tap设备作为后端
• ifname表示 tap设备的名字
• script表示虚拟机在打开tap网卡的时候需要执行的脚本，这里设置为no
• downscript表示虚拟机在关闭的时候需要执行的脚本，这里设置为no
• id表示该后端设备的id

-device用于说明虚拟设备，可以直接用来制定对应的网卡，如-netdev <backend>,id=<id> -device <dev>,netdev=<id>

在qemu v2.12引入了-nic选项用于配置网卡，该选项可以“快速创建网络的前端（虚拟网卡）和宿主中的后端设备”。 如-nic tap,model=e1000，tap表示后端设备，e1000表示前端的网卡类型。

By default QEMU will create a SLiRP user network backend and an appropriate virtual network device for the guest (eg an E1000 PCI card for most x86 PC guests), as if you had typed -net nic -net user on your command line.

VM网络连接方式

根据QEMU对后端设备的不同实现，guests总共有四种方式和外部网络进行通讯：user mode, socket redirection, Tap and VDE networking.

一般来说，对虚拟机而言，外部网络可以分为host, 其他虚拟机, 局域网(LAN)以及互联网，这四种网络连接方式可以访问的网络范围不同，所需host系统权限也不一样，这四种方式可以访问的网络概括及所需host权限总结如下：

后续的blog会通过一些简单的实验来理解这四种网络连接方式、原理以及QEMU相关源码分析。

1. User mode netwroking
2. Tap networking
3. socket networking
4. Virtio networking

Reference

1. QEMU Documentation/Networking
2. Configuring Guest Networking
3. Archlinux QEMU networking
4. Virtualbox virtual networking
5. VM Networking
6. QEMU’s new -nic command line option
7. QEMU cheetsheet for full emulation
8. Deep dive into Virtio-networking and vhost-net
9. KVM Virtual Networking Concepts