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第40讲 | 搭建一个网络实验环境：授人以鱼不如授人以渔

第40讲 | 搭建一个网络实验环境：授人以鱼不如授人以渔-极客时间

第40讲 | 搭建一个网络实验环境：授人以鱼不如授人以渔

2018-08-17 刘超 来自北京
《趣谈网络协议》
课程介绍

讲述：刘超

时长09:44大小4.46M

因为这门课是基础课程，而且配合音频的形式发布，所以我多以理论为主来进行讲解。在专栏更新的过程中，不断有同学让我推荐一些网络方面的书籍，还有同学说能不能配合一些实验来说明理论。
的确，网络是一门实验性很强的学科，就像我在开篇词里面说的一样：一看觉得懂，一问就打鼓，一用就糊涂。 在写专栏的过程中，我自己也深深体会到了。这个时候，我常常会拿一个现实的环境，上手操作一下，抓个包看看，这样心里就会有定论。

《TCP/IP 详解》实验环境搭建

对于网络方面的书籍，我当然首推 Rechard Stevens 的《TCP/IP illustrated》（《TCP/IP 详解》）。这本书把理论讲得深入浅出，还配有大量的上手实践和抓包，看到这些抓包，原来不理解的很多理论，一下子就能懂了。
这本书里有个拓扑图，书上的很多实验都是基于这个图的，但是这个拓扑图还是挺复杂的。我这里先不说，一会儿详细讲。
Rechard Stevens，因为工作中有这么一个环境，很方便做实验，最终才写出了这样一本书，而我们一般人学习网络，没有这个环境应该怎么办呢？
时代不同了，咱们现在有更加强大的工具了。例如，这里这么多的机器，我们可以用 Docker 来实现，多个网络可以用 Open vSwitch 来实现。你甚至不需要一台物理机，只要一台 1 核 2G 的虚拟机，就能将这个环境搭建起来。
搭建这个环境的时候，需要一些脚本。我把脚本都放在了Github里面，你可以自己取用。

1. 创建一个 Ubuntu 虚拟机

在你的笔记本电脑上，用 VirtualBox 创建就行。1 核 2G，随便一台电脑都能搭建起来。
首先，我们先下载一个 Ubuntu 的镜像。我是从Ubuntu 官方网站下载的。
然后，在 VirtualBox 里面安装 Ubuntu。安装过程网上一大堆教程，你可以自己去看，我这里就不详细说了。
这里我需要说明的是网络的配置。
对于这个虚拟机，我们创建两个网卡，一个是 Host-only，只有你的笔记本电脑上能够登录进去。这个网卡上的 IP 地址也只有在你的笔记本电脑上管用。这个网卡的配置比较稳定，用于在 SSH 上做操作。这样你的笔记本电脑就可以搬来搬去，在公司里安装一半，回家接着安装另一半都没问题。
这里有一个虚拟的网桥，这个网络可以在管理 > 主机网络管理里面进行配置。
在这里可以虚拟网桥的的 IP 地址，同时启用一个 DHCP 服务器，为新创建的虚拟机配置 IP 地址。
另一个网卡配置为 NAT 网络，用于访问互联网。配置了 NAT 网络之后，只要你的笔记本电脑能上网，虚拟机就能上网。由于咱们在 Ubuntu 里面要安装一些东西，因而需要联网。
你可能会问了，这个配置复杂吗？一点儿都不复杂。咱们讲虚拟机网络的时候，讲过这个。
安装完了 Ubuntu 之后，需要对 Ubuntu 里面的网卡进行配置。对于 Ubuntu 来讲，网卡的配置在 /etc/network/interfaces 这个文件里面。在我的环境里，NAT 的网卡名称为 enp0s3，Host-only 的网卡的名称为 enp0s8，都可以配置为自动配置。
auto lo
iface lo inet loopback
auto enp0s3
iface enp0s3 inet dhcp
auto enp0s8
iface enp0s8 inet dhcp
这样，重启之后，IP 就配置好了。

2. 安装 Docker 和 Open vSwitch

接下来，在 Ubuntu 里面，以 root 用户，安装 Docker 和 Open vSwitch。
你可以按照 Docker 的官方安装文档来做。我这里也贴一下我的安装过程。
apt-get remove docker docker-engine docker.io
apt-get -y update
apt-get -y install apt-transport-https ca-certificates curl software-properties-common
curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg > gpg
apt-key add gpg
apt-key fingerprint 0EBFCD88
add-apt-repository "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(lsb_release -cs) stable"
apt-get -y update
apt-cache madison docker-ce
apt-get -y install docker-ce=18.06.0~ce~3-0~ubuntu
之后，还需要安装 Open vSwitch 和 Bridge。
apt-get -y install openvswitch-common openvswitch-dbg openvswitch-switch python-openvswitch openvswitch-ipsec openvswitch-pki openvswitch-vtep
apt-get -y install bridge-utils
apt-get -y install arping

3. 准备一个 Docker 的镜像

每个节点都是一个 Docker，对应要有一个 Docker 镜像。这个镜像我已经打好了，你可以直接使用。
docker pull hub.c.163.com/liuchao110119163/ubuntu:tcpip
当然你也可以自己打这个镜像。Dockerfile 就像这样：
FROM hub.c.163.com/public/ubuntu:14.04
RUN apt-get -y update && apt-get install -y iproute2 iputils-arping net-tools tcpdump curl telnet iputils-tracepath traceroute
RUN mv /usr/sbin/tcpdump /usr/bin/tcpdump
ENTRYPOINT /usr/sbin/sshd -D

4. 启动整个环境

启动这个环境还是比较复杂的，我写成了一个脚本。在 Git 仓库里面，有一个文件 setupenv.sh ，可以执行这个脚本，里面有两个参数，一个参数是 NAT 网卡的名字，一个是镜像的名称。
git clone https://github.com/popsuper1982/tcpipillustrated.git
cd tcpipillustrated
docker pull hub.c.163.com/liuchao110119163/ubuntu:tcpip
chmod +x setupenv.sh
./setupenv.sh enp0s3 hub.c.163.com/liuchao110119163/ubuntu:tcpip
这样，整个环境就搭建起来了，所有的容器之间都可以 ping 通，而且都可以上网。
不过，我写的这个脚本对一些人来说可能会有点儿复杂，我这里也解释一下。
首先每一个节点，都启动一个容器。使用–privileged=true 方式，网络先不配置–net none。有两个二层网络，使用 ovs-vsctl 的 add-br 命令，创建两个网桥。
pipework 是一个很好的命令行工具，可以将容器连接到两个二层网络上。
但是我们上面那个图里有两个比较特殊的网络，一个是从 slip 到 bsdi 的 P2P 网络，需要创建一个 peer 的两个网卡，然后两个 Docker 的网络 namespace 里面各塞进去一个。
有关操作 Docker 的网络 namespace 的方式，咱们在容器网络那一节讲过 ip netns 命令。
这里需要注意的是，P2P 网络和下面的二层网络不是同一个网络。P2P 网络的 CIDR 是 140.252.13.64/27，而下面的二层网络的 CIDR 是 140.252.13.32/27。如果按照 /24，看起来是一个网络，但是 /27 就不是了。至于CIDR 的计算方法，你可以回去复习一下。
另外需要配置从 sun 到 netb 的点对点网络，方法还是通过 peer 网卡和 ip netns 的方式。
这里有个特殊的地方，对于 netb 来讲，不是一个普通的路由器，因为 netb 两边是同一个二层网络，所以需要配置 arp proxy。
为了所有的节点之间互通，要配置一下路由策略，这里需要通过 ip route 命令。
对于 slip 来讲，bsdi 左面 13.66 这个网口是网关。
对于 bsdi 和 svr4 来讲，如果去外网，sun 下面的网口 13.33 是网关。
对于 sun 来讲，上面的网口 1.29 属于上面的二层网络了，它如果去外网，gateway 下面的网口 1.4 就是外网网关。
对于 aix，solaris，gemini 来讲，如果去外网，网关也是 gateway 下面的网口 1.4。如果去下面的二层网口，网关是 sun 上面的网口 1.29。
配置完了这些，图中的所有的节点都能相互访问了，最后还要解决如何访问外网的问题。
我们还是需要创建一个 peer 网卡对。一个放在 gateway 里面，一个放在 gateway 外面。外面的网卡去外网的网关。
在虚拟机上面，还需要配置一个 iptables 的地址伪装规则 MASQUERADE，其实就是一个 SNAT。因为容器里面要访问外网，因为外网是不认的，所以源地址不能用容器的地址，需要 SNAT 成为虚拟机的地址出去，回来的时候再 NAT 回来。
配置这个环境还是挺复杂的，要用到咱们学到的很多知识。如果没有学习前面那些知识，直接就做这个实验，你肯定会很晕。但是只学理论也不行，要把理论都学过一遍，再做一遍实验，这才是一个不断迭代、更新知识库的过程。
有了这个环境，《TCP/IP 详解》里面的所有实验都能做了，而且我打的这个 Docker 镜像里面，tcpdump 等网络工具都安装了，你可以“为所欲为”了。

Open vSwitch 的实验

做了 TCP/IP 详解的实验之后，网络程序设计这部分，你就有了坚实的基础。但是涉及到数据中心内部的一些网络技术，什么 VLAN、VXLAN、STP 等偏运维方向的，学习还是会比较困难。好在我们有 Open vSwitch，也可以做大量的实验。
Open vSwitch 门槛比较高，里面的概念也非常多，可谓千头万绪。不过，通过我这么多年研究的经验，可以告诉你，这里面有一个很好的线索，那就是 Open vSwitch 会将自己对于网络的配置保存在一个本地库里面。这个库的表结构之间的关系就像这样：
这个库其实是一个 JSON，如果把这个 JSON 打印出来，能够看到更加详细的特性。按照这些特性一一实验，可以逐渐把 Open vSwitch 各个特性都掌握。
这里面最重要的概念就是网桥。一个网桥会有流表控制网络包的处理过程，会有控制器下发流表，一个网桥上会有多个端口，可以对端口进行流控，一个端口可以设置 VLAN，一个端口可以包含多个网卡，可以做绑定，网卡可以设置成为 GRE 和 VXLAN。
我写过一个 Open vSwitch 的实验教程，也放在了 Github 里面。这里面有这么几个比较重要的实验，你可以看一看。
实验一：查看 Open vSwitch 的架构。我们在讲 Open vSwitch 的时候，提过 Open vSwitch 的架构，在这个实验中，我们可以查看 Open vSwitch 的各个模块以及启动的参数。
实验五：配置使用 OpenFlow Controller，体验一把作为小区物业在监控室里面管控整个小区道路的样子。
实验八：测试 Port 的 VLAN 功能。看一下 VLAN 隔离究竟是什么样的。
实验十：QoS 功能。体验一把如果使用 HTB 进行网卡限流。
实验十一：GRE 和 VXLAN 隧道功能，看虚拟网络如何进行租户隔离。
实验十五：对 Flow Table 的操作，体验流表对网络包随心所欲的处理。
好了，关于整个环境的搭建我就讲到这里了。
其实到这里，对于网络世界的探索才刚刚开始，只有经过你自己动手和思考产生的内容，才是真正属于你的知识！打开你的电脑，上手去实验吧！
欢迎你留言和我讨论。趣谈网络协议，我们下期见！
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 写留言

精选留言(55)

  • qpzm7903
    2018-08-17
    不说了，回去装机开始为所欲为！
    共 1 条评论
    37
  • 江湖小虾
    2019-03-17
    第二次启动的时候，需要删除已经存在docker docker rm $(docker ps -a -q), 还需要删除已经存在网卡 ovs-vsctl del-br net1 ,ovs-vsctl del-br net2, 重新运行脚本

    作者回复: 赞

    21
  • 初学者
    2018-08-25
    老师，要不要出个操作系统原理的课程
    12
  • 麟豸鸿
    2018-10-17
    老师，这个会报错啊，是否更新一下安装方式。谢谢。ubuntu unable to locate package openvswitch-ipsec
    共 3 条评论
    9
  • 咸鱼
    2018-08-19
    为什么一直显示pipeeork 68有问题呢
    共 3 条评论
    6
  • Wangyf
    2021-03-29
    老师文章里使用的是 Ubuntu，我把使用 CentOS 配置网卡的方法写一写吧，具体用什么虚拟机的软件应该是没关系，我用的是 CentOS 7 的系统 使用 virtual box 的步骤就按照老师的步骤即可，只是配置 IP 的时候有点儿差异。老师的代码： auto lo iface lo inet loopback auto enp0s3 iface enp0s3 inet dhcp auto enp0s8 iface enp0s8 inet dhcp 第一段是默认的，我以为是老师自己加的，搜了好一会儿。。。但其实是只添加了下面的两段。下面两段儿的意思是，让这两个网卡都使用 DHCP 自动配置 IP 地址。回到 CentOS 中，cd 到 /etc/sysconfig/network-scripts 目录下，前两个文件就是两张网卡的配置文件。这两个文件 "ifcfg-enp0s3" 除了名字不一样，其他应该都一样。然后把最后一项 ONBOOT 改为 yes 即可 然后保存修改，执行 service network restart 命令重启一下服务即可。两个配置文件都执行一下，然后 ping 百度看看，应该问题不大
    展开
    共 1 条评论
    5
  • liao89
    2019-01-14
    老师您好，我准备写下相关学习的博客，能否使用你的相关图片
    5
  • 咸鱼
    2018-08-20
    不好意思大大，是因为我vim进去看源码的时候，不小心在68行添加个引号，然后我一直没看出来，所以，后来在运行时一直显示68行有问题，打扰了😊

    作者回复: 哈哈，没事儿

    5
  • upstream
    2018-08-17
    用gns3 模拟器可以吗？

    作者回复: 没试过

    6
  • logic
    2018-08-17
    很棒，回去实践一下
    4
  • Billylin
    2018-11-05
    Re: 环境搭建起来之后，容器之间不能相互ping通，例如我输入命令进入sun之后（docker exec -it sun /bin/bash）,执行ping svr4会直接报unknown host，这是啥原因呢？ 执行启动脚本并无报错。 ---------- 直接ping ip呢？ ---------- 刘老师，容器之间直接ping ip是没有问题的。
    展开

    作者回复: 那就把映射关系写到hosts里面吧

    3
  • 三件事
    2019-03-29
    如何对 Ubuntu 的网卡配置呢？我按照老师的配置了，但是在 interfaces 里没看到有 Host-Only 的 adapter

    作者回复: virtualbox里面没有嘛

    2
  • 施天助
    2021-07-12
    老师，我只找到了个ubuntu-14.04.6-server-amd64.iso安装在vitualbox里。然后也有好多包都装不上。。。。
    共 1 条评论
    1
  • 郑祖煌
    2020-08-24
    可以用vware workstation代替virtual box。用redhat代替ubutun吗？
    共 3 条评论
    1
  • 阳光梦
    2020-04-27
    开搞openvswitch，感谢超哥入门ppt！还有什么对我这新手指点的？多多益善，多谢！
    1
  • lyonger
    2019-12-13
    请问有哪位大佬用Mac+virtulbox成功搭建了环境的吗？表示没有windows笔记本电脑，一直用的Mac。
    共 1 条评论
    1
  • 潜水
    2019-11-08
    这是终于把正餐看完了。
    1
  • likun
    2018-11-26
    超哥 看了下安装环境的shell脚本 有点疑惑， 创建网桥的时候ovs-vsctl add-br net1 ip link set net1 up ovs-vsctl add-br net2 ip link set net1 up 这里net1启动了两次 是手误吗？

    作者回复: 有时候添加完之后处于down的状态

    共 3 条评论
    1
  • linas
    2018-08-17
    老师讲的太好了 既系统又有实操，棒棒哒！
    1
  • youth
    2018-08-17
    很棒，就喜欢这种操作性比较强的文章。
    1