本文是书稿《图解 VPC & K8s 网络模型》其中一篇。书稿还在继续写，进度不快也不慢，因为二哥不急也不躁。好肉需要慢炖，好书需要多磨。为什么要单独讲这个话题呢？因为我在和同事讨论 K8s 网络尤其是网络数据流向的时候，会反复提及到网络设备，无论它是物理的还是虚拟的。而网络设备在我们所讨论到的数据流场景里，时而在接收数据，时而在发送数据。也就是说它同时扮演着双重身份：Ingress 和 Egress。另外我在整理 eBPF 相关的内容，尤其是 tc eBPF 的时候，再一次发现如果不能准确地在数据流中识别出网络设备是 Ingress 还是 Egress ，就无法将代码逻辑和实际运行结果对上号，更勿谈能理解tc eBPF 了。这样的双重角色扮演就如同一个调皮的孩子，总是带上面具在错综复杂的网络里面东躲西藏，肆意玩耍。而当你好不容易抓到它时，却让你猜猜此时此刻他是谁。简单来说：对于网卡而言，无论它是物理的还是虚拟的，对于 Ingress 角色，它是首先触碰到数据的人，而对于 Egress 角色，它是最后一个碰到数据的人。本文我们从一个简单的物理网卡开始，然后对 veth、 bridge 还有 tc eBPF ，分别展开聊聊：
这里的 ksoftirqd 是一个内核线程，每个 CPU 一个，x 为 CPU 编号。如 ksoftirqd/0 为 0 号 CPU 上运行的内核线程。ksoftirqd/x 将数据以 skb 为处理粒度依次穿过链路层、网络层、TCP/UDP 传输层 。不过 skb 在链路层和网络层还可能直接 forward 给其它网卡，那这样的话传输层就不会收到这个 skb 了。整个过程如图 2 所示，你可以从整体上感受一下。标号 1 及 1.x 为数据输入和生产过程，这是本文的重点。而标号 3 为数据消费过程，它带着 skb 从入口处的 net_rx_action() 沿着协议栈由底向上穿越协议栈，这个过程对本文所述的所有 Ingress 场景都是通用的，故后文不再赘述这部分。
图2总结：当物理网卡扮演 Ingress 角色时，它从主机外接收数据，将数据递交给了环形队列，然后由 ksoftirqd/x 进行后续的处理，这个处理过程也称为网络栈下半部分。
图3而 ip_local_out() 过程则对应了本机进程通过 socket 发送数据的场景，如图 4 所示。这张图最后标注的“触发 NET_RX 类型软中断”是数据已经被网卡发送完后发生的事情，中断的目的是为了清理 skb ，略过不表。
图 4 ，图片来源：“开发内功修炼”公众号总结：当物理网卡扮演 Egress 角色时，它从本机 TCP/IP 协议栈接收数据，将数据通过驱动程序送离本机。
图 5结合图 5 上的箭头示意，答案应该不难猜。对 veth_left 来说，它扮演的是 Egress 角色，因为进程需要通过它把数据发送出去。对 veth_right 而言是 Ingress ，因为它需要负责接收数据并把它送给右侧的进程。下一个问题：既然 veth_left 扮演了 Egress 角色，流量从离开 network namespace 1 之后去哪里了？既然 veth_right 是 Ingress ，那它从哪里接收到流量的？答案都在图 6 里面。图中标号 2 及 2.x 在进行数据发送的工作，都属于 veth_left 的 Egress 的过程，这个过程是发生在 network namespace 1 里面的，函数调用栈和图 4 一样。而标号 3 为数据消费也即 veth_right 的 Ingress 过程，这个过程和物理网卡一模一样。
图 6总结：既然 veth 是一对虚拟网卡，那我们把对它俩的总结放在一起。当 veth 网卡扮演 Egress 角色时，如图 7 中的 veth_left，它从其所在的 network namespace TCP/IP 协议栈接收数据，并将数据递交给了 per CPU input_pkt_queue 队列，并触发软件中断。当 veth 网卡扮演 Ingress 角色时，如图 7 中的 veth_right，它并没有物理网卡那种环形队列，而是由 ksoftirqd/x 直接从 per CPU input_pkt_queue 队列读取 veth_left 塞进来的数据。veth_left 和 veth_right 共享了同一个 queue 。典型的生产者 / 消费者设计模式的即视感有没有？
图 7
图 8其实对于 bridge 这种虚拟的网桥，它的 port 口也是一个虚拟的概念，说得更直白一点，在内核里它就是一个数据结构：struct net_bridge_port 。这个结构里有 3 个重要的成员：br / port_no / dev 。下面的代码用于插入网络设备到 bridge ，这 3 个成员的作用显而易见。
//file: net/bridge/br_if.c
static struct net_bridge_port *new_nbp(struct net_bridge *br,
struct net_device *dev)
{
//申请插口对象
struct net_bridge_port *p;
p = kzalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
//初始化插口
index = find_portno(br);
p->br = br;
p->dev = dev;
p->port_no = index;
...
}
图 9现在我们知道，在图 9 中，从 container-1 发出的流量经过 veth 发出后，veth-p 会以 Ingress 角色开始接收。根据前文的解释，当网卡进行 Ingress 时，流量会被 ksoftirqd/x 送往协议栈进一步处理。这个处理的过程当然也就包括了图 9 中的路由过程。图 9 这里巧妙的地方是：流量是产生于容器内，但对这份流量的路由却发生在主机 root(default) network namespance 里面，使用的也是主机的路由表。如果路由结果发现需要把这份流量发往其它主机，那自然流量就从主机的 eth0 这个网卡设备离开了。在这个过程中，主机其实扮演了网关的角色。说到这里，你能理解图 10 的工作过程了吗？它是 K8s host-gateway 网络模型，顾名思义，这种网络模型以 host 为 gateway ，更具体地说，host 的 root network namespace 充当了路由的角色。
图 10
图 11但在看完二哥这篇文章后，希望你不会再晕了。在图 11 中，从右下 Pod 出来的流量会流到位于 host network ns 这一端的 veth 上，这个 veth 是以 Ingress 角色工作的。你看到在它身上附上了一个 eBPF 小蜜蜂图标，表示这个时候 eBPF 程序会介入执行，执行的结果就是流量被直接通过 dev_forward_skb() forward 给了另外一个同样位于 host network ns 端的 veth （如图 11 箭头所指的那个 veth），当然对这个 veth 而言，它会扮演 Egress 角色。这个过程也可以用下面这样的函数调用层次图来表示。pkt -> NIC -> TC ingress -> handle_ing()
|-verdict = tc_classify() // exec BPF code
| |-bpf_redirect() // return verdict
|
|-switch (verdict) {
case TC_ACK_REDIRECT:
skb_do_redirect() // to the target net device
|-if ingress:
| dev_forward_skb()
|-else:
dev_queue_xmit()
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