3. veth pair 与虚拟网桥：构建基础二层网络拓扑

在自定义协议 Socket 编程与内核网络测试中，网络命名空间（Network Namespace） 是隔离网络栈的核心手段。然而，默认情况下不同命名空间之间无法直接通信。本章将系统讲解如何通过 veth pair 和 Linux Bridge 打通命名空间之间的网络通路，构建出可复用的基础二层网络拓扑。

3.1 veth pair 设备原理与创建

veth（Virtual Ethernet）设备总是成对出现，像一根虚拟网线连接两个网络栈。数据从一端进入，立即从另一端原样输出，工作在 OSI 模型第二层。

3.1.1 核心特性

3.1.2 创建 veth pair 并连接两个命名空间

以下步骤演示如何创建 veth pair，将两端分别放入 ns1 和 ns2，并配置 IP 地址实现互通。

# 1. 创建两个网络命名空间
ip netns add ns1
ip netns add ns2

# 2. 创建 veth pair，命名为 veth0 和 veth1
ip link add veth0 type veth peer name veth1

# 3. 将两端分别移入命名空间
ip link set veth0 netns ns1
ip link set veth1 netns ns2

# 4. 在命名空间内配置 IP 并启用
ip netns exec ns1 ip addr add 10.0.1.1/24 dev veth0
ip netns exec ns1 ip link set veth0 up

ip netns exec ns2 ip addr add 10.0.1.2/24 dev veth1
ip netns exec ns2 ip link set veth1 up

# 5. 验证连通性
ip netns exec ns1 ping -c 3 10.0.1.2

3.1.3 veth pair 二层拓扑 SVG

3.2 Linux Bridge：多命名空间二层互通

veth pair 只能连接两个命名空间。当需要三个或更多命名空间互通时，必须引入 Linux Bridge。Linux Bridge 是一个纯软件实现的二层交换机，工作在数据链路层，维护 MAC 地址表进行帧转发。

3.2.1 桥接原理

• MAC 学习： 桥接器记录每个端口收到的源 MAC 地址，建立 MAC 地址表。
• 泛洪转发： 对于未知单播帧、广播帧和组播帧，向所有端口（除接收端口外）转发。
• 精确转发： 对于已知单播帧，仅向目标 MAC 对应的端口转发。
• STP 支持： 可选启用生成树协议，防止二层环路。

3.2.2 创建桥接拓扑：三个命名空间互通

以下步骤创建 br0 桥接器，将 ns1、ns2、ns3 通过 veth pair 接入同一二层网络。

# 1. 创建三个命名空间
ip netns add ns1
ip netns add ns2
ip netns add ns3

# 2. 创建 Linux Bridge
ip link add br0 type bridge
ip link set br0 up

# 3. 为每个命名空间创建 veth pair，一端放入命名空间，另一端接入桥
# ns1
ip link add veth1_ns type veth peer name veth1_br
ip link set veth1_ns netns ns1
ip link set veth1_br master br0
ip link set veth1_br up
ip netns exec ns1 ip addr add 10.0.0.1/24 dev veth1_ns
ip netns exec ns1 ip link set veth1_ns up

# ns2
ip link add veth2_ns type veth peer name veth2_br
ip link set veth2_ns netns ns2
ip link set veth2_br master br0
ip link set veth2_br up
ip netns exec ns2 ip addr add 10.0.0.2/24 dev veth2_ns
ip netns exec ns2 ip link set veth2_ns up

# ns3
ip link add veth3_ns type veth peer name veth3_br
ip link set veth3_ns netns ns3
ip link set veth3_br master br0
ip link set veth3_br up
ip netns exec ns3 ip addr add 10.0.0.3/24 dev veth3_ns
ip netns exec ns3 ip link set veth3_ns up

# 4. 验证互通
ip netns exec ns1 ping -c 2 10.0.0.2
ip netns exec ns1 ping -c 2 10.0.0.3
ip netns exec ns2 ping -c 2 10.0.0.3

3.2.3 桥接拓扑结构 SVG

3.3 桥接网络的关键操作与调试

3.3.1 常用管理命令

3.3.2 调试流程

1. 检查端口状态： bridge link show 确认所有 veth 桥接端处于 state UP。
2. 检查命名空间内接口： ip netns exec ns1 ip link 确认 veth_ns 端已启用且配置了 IP。
3. 检查 MAC 学习： 在 ns1 中 ping ns2 后，执行 bridge fdb show br br0 应看到 ns2 的 MAC 地址已学习到对应端口。
4. 抓包验证： ip netns exec ns1 tcpdump -i veth1_ns -e -n 观察 ARP 请求和 ICMP 报文。

3.4 本章小结