qemu虚拟机与外部网络的通信

绝地灬酷狼 2022-07-12 18:54 443阅读 0赞

一、基本概念

为了使虚拟机能够与外界通信，Qemu需要为虚拟机提供网络设备。Qemu支持的常用网卡包括NE2000、rtl8139、pcnet32等。命令行上用-net nic为虚拟机创建虚拟机网卡。例如，qemu的命令行选项  
                            \-net nic,model=pcnet  
表示为虚拟机添加一块pcnet型的以太网卡。如果省略model参数则qemu会默认选择一种网卡类型，目前采用的是Intel 82540EM（手册里说明的是e1000），可以在虚拟机启动后执行lspci命令查看。有了虚拟网络设备，下面的问题是如何用这些设备来联网。

首先，虚拟机的网络设备连接在qemu虚拟的VLAN中。每个qemu的运行实例是宿主机中的一个进程，而每个这样的进程中可以虚拟一些VLAN，虚拟机网络设备接入这些VLAN中。当某个VLAN上连接的网络设备发送数据帧，与它在同一个VLAN中的其它网路设备都能接收到数据帧。上面的例子中对虚拟机的pcnet网卡没有指定其连接的VLAN号，那么qemu默认会将该网卡连入vlan0。下面这个例子更具一般性：  
      \-net nic,model=pcnet -net nic,model=rtl8139,vlan=1, -net nic,model=ne2k\_pci,vlan=1  
该命令为虚拟机创建了三块网卡，其中第一块网卡类型是pcnet，连入vlan0；第二块网卡类型是 rtl8139，第三块网卡类型是ne2k\_pci，这两块都连入vlan1，所以第二块网卡与第三块网卡可以互相通信，但它们与第一块网卡不能直接通信。

接下来，各个VLAN再通过qemu提供的4种通信方式与外界联网。

1.  User mode stack：这种方式在qemu进程中实现一个协议栈，负责在虚拟机VLAN和外部网络之间转发数据。可以将该协议栈视为虚拟机与外部网络之间的一个NAT服务器，外部网络不能主动与虚拟机通信。虚拟机VLAN中的各个网络接口只能置于10.0.2.0子网中，所以这种方式只能与外部网络进行有限的通信。此外，可以用-redir选项为宿主机和虚拟机的两个TCP或UDP端口建立映射，实现宿主机和虚拟机在特殊要求下的通信（例如X-server或ssh）。User mode stack通信方式由-net user选项启用，如果不显式指定通信方式，则这种方式是qemu默认的通信方式。  
    
2.  socket：这种方式又分为TCP和UDP两种类型。  
    （1）TCP：为一个VLAN创建一个套接字，让该套接字在指定的TCP端口上监听，而其他VLAN连接到该套接字上，从而将多个VLAN连接起来。缺点在于如果监听套接字所在qemu进程崩溃，整个连接就无法工作。监听套接字所在VLAN通过-net socket,listen选项启用，其他VLAN通过-net socket,connect选项启用。  
    （2）UDP：所有VLAN连接到一个多播套接字上，从而使多个VLAN通过一个总线通信。所有VLAN都通过-net socket,mcast选项启用。
3.  TAP：这种方式首先需要在宿主机中创建并配置一个TAP设备，qemu进程将该TAP设备连接到虚拟机VLAN中。其次，为了实现虚拟机与外部网络的通信，在宿主机中通常还要创建并配置一个网桥，并将宿主机的网络接口（通常是eth0）作为该网桥的一个接口。最后，只要将TAP设备作为网桥的另一个接口，虚拟机VLAN通过TAP设备就可以与外部网络完全通信了。这是因为，宿主机的eth0接口作为网桥的接口，与外部网络连接；TAP设备作为网桥的另一个接口，与虚拟机VLAN连接，这样两个网络就连通了。此时，网桥在这两个网络之间转发数据帧。  
    这里有两个问题需要注意：  
    （1）网桥的转发工作需要得到内核的支持，所以在编译宿主机内核时需要选择与桥接相关的配置选项。  
    （2）当宿主机eth0接口作为网桥接口时，不能为其配置IP地址，而要位将IP地址配置给网桥。  
    TAP方式由-net tap选项启用。  
    
4.  VDE：这种方式首先要启动一个VDE进程，该进程打开一个TAP设备，然后各个虚拟机VLAN与VDE进程连接，这样各个VLAN就可以通过TAP设备连接起来。VDE进程通过执行vde\_switch命令启动，各个VLAN所在qemu进程通过执行veqe命令启动，这些VLAN就可以与VDE进程连接了。

以上四种通信方式中，socket方式和VDE方式用于虚拟机VLAN之间的连接，而user mode stack方式与外部网路的通信比较有限，所以下面主要讨论TAP方式的配置。

在没有做配置之前，首先需要对TAP设备有所认识。TUN/TAP是内核支持的网络虚拟设备，这种网络设备完全由的软件实现。与网络硬件设备不同，TUN/TAP负责在内核协议栈与用户进程之间传送协议数据单元。TUN与TAP的区别在于，TUN工作在网络层，而TAP则工作在数据链路层。具体在运行TCP/IP的以太网中，TUN与应用程序交换IP包，而TAP与应用程序交换以太帧。所以TUN通常涉及路由，而TAP则常用于网络桥接。TUN/TAP的典型应用包括：OpenVPN、OpenSSH 以及虚拟机网络。

二、在Ubuntu 10.04中配置qemu虚拟网络

1.  内核支持需要对TUN/TAP设备和虚拟网桥提供支持：  
    （1）Device Drivers  
                --> Network device support  
                            --> Universal TUN/TAP device driver support  
    （2）Networking support  
                --> Networking options  
                            --> 802.1d Ethernet Bridging
2.  安装两个配置网络所需软件包：  
    apt-get install bridge-utils        \# 虚拟网桥工具  
    apt-get install uml-utilities       \# UML（User-mode linux）工具
3.  配置虚拟网桥的操作（假设系统启动后eth0已经启动，并且从DHCP获得IP地址）。  
    ifconfig eth0 down                  \# 先关闭eth0接口  
    brctl addbr br0                     \# 增加一个虚拟网桥br0  
    brctl addif br0 eth0                \# 在br0中添加一个接口eth0  
    brctl stp br0 off                   \# 只有一个网桥，所以关闭生成树协议  
    brctl setfd br0 1                   \# 设置br0的转发延迟  
    brctl sethello br0 1                \# 设置br0的hello时间  
    ifconfig br0 0.0.0.0 promisc up     \# 打开br0接口  
    ifconfig eth0 0.0.0.0 promisc up    \# 打开eth0接口  
    dhclient br0                        \# 从dhcp服务器获得br0的IP地址  
    brctl show br0                      \# 查看虚拟网桥列表  
    brctl showstp br0                   \# 查看br0的各接口信息  
    在没有dhcp服务器的网络中也可以用ifconfig命令为br0接口配置一个静态IP地址：  
    ifconfig br0 192.168.0.22 netmask 255.255.255.0  
    route add -net 0.0.0.0 netmask 0.0.0.0 gw 192.168.0.254
4.  配置TAP设备的操作：  
    tunctl -t tap0 -u root              \# 创建一个tap0接口，只允许root用户访问  
    brctl addif br0 tap0                \# 在虚拟网桥中增加一个tap0接口  
    ifconfig tap0 0.0.0.0 promisc up    \# 打开tap0接口  
    brctl showstp br0                   \# 显示br0的各个接口
5.  假设内核的顶层目录在/usr/src/linux，且内核已经编译完毕。启动qemu的操作：  
    cd /usr/src/linux  
    qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage -net nic -net tap,ifname=tap0,script=no,downscript=no   
    如果省略script和downscript参数，qemu在启动时会以第一个不存在的tap接口名（通常是tap0）为参数去调用/etc/qemu-ifup脚本，而在退出时调用/etc/qemu-ifdown脚本。这两个脚本需要用户自行编写，其主要作用通常是：在启动时创建和打开指定的TAP接口，并将该接口添加到虚拟网桥中；退出时将该接口从虚拟网桥中移除，然后关闭该接口。由于配置TAP设备的操作前面已经做过了，所以启动qemu时显式地告诉qemu不要执行这两个脚本。这里需要严重注意：\-net tap的各参数之间不要有空格！为了这个问题花了半个小时 :-(。  
    
6.  为了在系统启动时能够自动配置虚拟网桥和TAP设备，编写/etc/network/interfaces文件的内容如下：  
    auto lo  
    iface lo inet loopback  
      
    \# The eth0 network interface(s)  
    \# auto eth0  
    \# iface eth0 inet dhcp  
      
    \# The bridge network interface(s)  
    auto br0  
    iface br0 inet dhcp  
    \# iface br0 inet static  
    \# address 192.168.0.1  
    \# netmask 255.255.255.0  
    \# gateway 192.168.0.254  
    bridge\_ports eth0  
    bridge\_fd 9  
    bridge\_hello 2  
    bridge\_maxage 12  
    bridge\_stp off  
      
    \# The tap0 network interface(s)  
    auto tap0  
    iface tap0 inet manual  
    \# iface tap0 inet static  
    \# address 192.168.0.2  
    \# netmask 255.255.255.0  
    \# gateway 192.168.0.254  
    pre-up tunctl -t tap0 -u root  
    pre-up ifconfig tap0 0.0.0.0 promisc up  
    post-up brctl addif br0 tap0  
    注意：此时应该将配置文件中的eth0关闭（相应的文本行注释掉）。

三、在gentoo中配置qemu虚拟网络

1.  内核支持需要对TUN/TAP设备和虚拟网桥提供支持：  
    与ubuntu的配置相同。  
    
2.  安装两个配置网络所需软件包：  
    emerge bridge-utils            \# 虚拟网桥工具  
    emerge usermod-utilities       \# UML（User-mode linux）工具
3.  配置虚拟网桥的操作（假设系统启动后eth0已经启动，并且从DHCP获得IP地址）。  
    与ubuntu的配置基本相同，指示gentoo默认采用的dhcp客户端是dhcpcd，所以相应的命令行应改为：  
    dhcpcd br0
4.  配置TAP设备的操作：  
    与ubuntu的配置相同。
5.  启动qemu。  
    与ubuntu的配置相同。
6.  为了在系统启动时能够自动配置虚拟网桥和TAP设备，编写/etc/conf.d/net文件的内容如下：  
    bridge\_br0="eth0 tap0"  
    config\_eth0=( "null" )  
    config\_tap0="null"  
    tuntap\_tap0="tap"  
    tunctl\_tap0="-u root"  
    config\_br0=( "dhcp" )  
    rc\_need\_br0="net.eth0 net.tap0"  
    brctl\_br0=( "setfd 0" "sethello 1" "stp off" )  
    此外，还要让gentoo在启动时知道需要启动哪些网络接口：  
    cd /etc/init.d  
    ln -s net.lo net.br0  
    ln -s net.lo net.tap0

四、参考文献

1.  [Universal TUN/TAP device driver][Universal TUN_TAP device driver]
2.  [Tun/Tap interface tutorial][Tun_Tap interface tutorial]
3.  [QEMU Emulator User Documentation][]
4.  [QEMU Networking][]
5.  [QEMU on Windows][]  
    
6.  [The Linux Foundation -- bridge][]
7.  [QEMU - Debian - Linux - TUN/TAP - network bridge][QEMU - Debian - Linux - TUN_TAP - network bridge]
8.  [Debian Lenny Tun/Tap Bridge Setup][Debian Lenny Tun_Tap Bridge Setup]
9.  [QEmu -- wiki][]
10. [Ubuntu Documentation -- KVM][]

[Universal TUN_TAP device driver]: http://lxr.linux.no/#linux+v2.6.34/Documentation/networking/tuntap.txt
[Tun_Tap interface tutorial]: http://backreference.org/2010/03/26/tuntap-interface-tutorial/
[QEMU Emulator User Documentation]: http://qemu.weilnetz.de/qemu-doc.html
[QEMU Networking]: http://people.gnome.org/~markmc/qemu-networking.html
[QEMU on Windows]: http://www.h7.dion.ne.jp/~qemu-win/
[The Linux Foundation -- bridge]: http://www.linuxfoundation.org/collaborate/workgroups/networking/bridge
[QEMU - Debian - Linux - TUN_TAP - network bridge]: http://compsoc.dur.ac.uk/~djw/qemu.html
[Debian Lenny Tun_Tap Bridge Setup]: http://www.shakthimaan.com/installs/debian-tun-tap-setup.html
[QEmu -- wiki]: http://en.gentoo-wiki.com/wiki/QEmu
[Ubuntu Documentation -- KVM]: http://help.ubuntu.com/community/KVM