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浅谈容器网络

你好,我是张磊。今天我和你分享的主题是:浅谈容器网络。

在前面讲解容器基础时,我曾经提到过一个Linux容器能看见的“网络栈”,实际上是被隔离在它自己的Network Namespace当中的。

而所谓“网络栈”,就包括了:网卡(Network Interface)、回环设备(Loopback Device)、路由表(Routing Table)和iptables规则。对于一个进程来说,这些要素,其实就构成了它发起和响应网络请求的基本环境。

需要指出的是,作为一个容器,它可以声明直接使用宿主机的网络栈(–net=host),即:不开启Network Namespace,比如:

$ docker run –d –net=host --name nginx-host nginx

在这种情况下,这个容器启动后,直接监听的就是宿主机的80端口。

像这样直接使用宿主机网络栈的方式,虽然可以为容器提供良好的网络性能,但也会不可避免地引入共享网络资源的问题,比如端口冲突。所以,在大多数情况下,我们都希望容器进程能使用自己Network Namespace里的网络栈,即:拥有属于自己的IP地址和端口。

这时候,一个显而易见的问题就是:[strong_begin]这个被隔离的容器进程,该如何跟其他Network Namespace里的容器进程进行交互呢?[strong_end]

为了理解这个问题,你其实可以把每一个容器看做一台主机,它们都有一套独立的“网络栈”。

如果你想要实现两台主机之间的通信,最直接的办法,就是把它们用一根网线连接起来;而如果你想要实现多台主机之间的通信,那就需要用网线,把它们连接在一台交换机上。

在Linux中,能够起到虚拟交换机作用的网络设备,是网桥(Bridge)。它是一个工作在数据链路层(Data Link)的设备,主要功能是根据MAC地址学习来将数据包转发到网桥的不同端口(Port)上。

当然,至于为什么这些主机之间需要MAC地址才能进行通信,这就是网络分层模型的基础知识了。不熟悉这块内容的读者,可以通过这篇文章来学习一下。

而为了实现上述目的,Docker项目会默认在宿主机上创建一个名叫docker0的网桥,凡是连接在docker0网桥上的容器,就可以通过它来进行通信。

可是,我们又该如何把这些容器“连接”到docker0网桥上呢?

这时候,我们就需要使用一种名叫Veth Pair的虚拟设备了。

Veth Pair设备的特点是:它被创建出来后,总是以两张虚拟网卡(Veth Peer)的形式成对出现的。并且,从其中一个“网卡”发出的数据包,可以直接出现在与它对应的另一张“网卡”上,哪怕这两个“网卡”在不同的Network Namespace里。

这就使得Veth Pair常常被用作连接不同Network Namespace 的“网线”。

比如,现在我们启动了一个叫作nginx-1的容器:

$ docker run –d --name nginx-1 nginx

然后进入到这个容器中查看一下它的网络设备:

# 在宿主机上
$ docker exec -it nginx-1 /bin/bash
# 在容器里
root@2b3c181aecf1:/# ifconfig
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.2  netmask 255.255.0.0  broadcast 0.0.0.0
        inet6 fe80::42:acff:fe11:2  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 02:42:ac:11:00:02  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 364  bytes 8137175 (7.7 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 281  bytes 21161 (20.6 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
        
lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
        
$ route
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
default         172.17.0.1      0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0
172.17.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 eth0

可以看到,这个容器里有一张叫作eth0的网卡,它正是一个Veth Pair设备在容器里的这一端。

通过route命令查看nginx-1容器的路由表,我们可以看到,这个eth0网卡是这个容器里的默认路由设备;所有对172.17.0.0/16网段的请求,也会被交给eth0来处理(第二条172.17.0.0路由规则)。

而这个Veth Pair设备的另一端,则在宿主机上。你可以通过查看宿主机的网络设备看到它,如下所示:

# 在宿主机上
$ ifconfig
...
docker0   Link encap:Ethernet  HWaddr 02:42:d8:e4:df:c1  
          inet addr:172.17.0.1  Bcast:0.0.0.0  Mask:255.255.0.0
          inet6 addr: fe80::42:d8ff:fee4:dfc1/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:309 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:372 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
 collisions:0 txqueuelen:0 
          RX bytes:18944 (18.9 KB)  TX bytes:8137789 (8.1 MB)
veth9c02e56 Link encap:Ethernet  HWaddr 52:81:0b:24:3d:da  
          inet6 addr: fe80::5081:bff:fe24:3dda/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:288 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:371 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
 collisions:0 txqueuelen:0 
          RX bytes:21608 (21.6 KB)  TX bytes:8137719 (8.1 MB)
          
$ brctl show
bridge name bridge id  STP enabled interfaces
docker0  8000.0242d8e4dfc1 no  veth9c02e56

通过ifconfig命令的输出,你可以看到,nginx-1容器对应的Veth Pair设备,在宿主机上是一张虚拟网卡。它的名字叫作veth9c02e56。并且,通过brctl show的输出,你可以看到这张网卡被“插”在了docker0上。

这时候,如果我们再在这台宿主机上启动另一个Docker容器,比如nginx-2:

$ docker run –d --name nginx-2 nginx
$ brctl show
bridge name bridge id  STP enabled interfaces
docker0  8000.0242d8e4dfc1 no  veth9c02e56
       vethb4963f3

你就会发现一个新的、名叫vethb4963f3的虚拟网卡,也被“插”在了docker0网桥上。

这时候,如果你在nginx-1容器里ping一下nginx-2容器的IP地址(172.17.0.3),就会发现同一宿主机上的两个容器默认就是相互连通的。

[strong_begin]这其中的原理其实非常简单,我来解释一下。[strong_end]

当你在nginx-1容器里访问nginx-2容器的IP地址(比如ping 172.17.0.3)的时候,这个目的IP地址会匹配到nginx-1容器里的第二条路由规则。可以看到,这条路由规则的网关(Gateway)是0.0.0.0,这就意味着这是一条直连规则,即:凡是匹配到这条规则的IP包,应该经过本机的eth0网卡,通过二层网络直接发往目的主机。

而要通过二层网络到达nginx-2容器,就需要有172.17.0.3这个IP地址对应的MAC地址。所以nginx-1容器的网络协议栈,就需要通过eth0网卡发送一个ARP广播,来通过IP地址查找对应的MAC地址。

备注:ARP(Address Resolution Protocol),是通过三层的IP地址找到对应的二层MAC地址的协议。

我们前面提到过,这个eth0网卡,是一个Veth Pair,它的一端在这个nginx-1容器的Network Namespace里,而另一端则位于宿主机上(Host Namespace),并且被“插”在了宿主机的docker0网桥上。

一旦一张虚拟网卡被“插”在网桥上,它就会变成该网桥的“从设备”。从设备会被“剥夺”调用网络协议栈处理数据包的资格,从而“降级”成为网桥上的一个端口。而这个端口唯一的作用,就是接收流入的数据包,然后把这些数据包的“生杀大权”(比如转发或者丢弃),全部交给对应的网桥。

所以,在收到这些ARP请求之后,docker0网桥就会扮演二层交换机的角色,把ARP广播转发到其他被“插”在docker0上的虚拟网卡上。这样,同样连接在docker0上的nginx-2容器的网络协议栈就会收到这个ARP请求,从而将172.17.0.3所对应的MAC地址回复给nginx-1容器。

有了这个目的MAC地址,nginx-1容器的eth0网卡就可以将数据包发出去。

而根据Veth Pair设备的原理,这个数据包会立刻出现在宿主机上的veth9c02e56虚拟网卡上。不过,此时这个veth9c02e56网卡的网络协议栈的资格已经被“剥夺”,所以这个数据包就直接流入到了docker0网桥里。

docker0处理转发的过程,则继续扮演二层交换机的角色。此时,docker0网桥根据数据包的目的MAC地址(也就是nginx-2容器的MAC地址),在它的CAM表(即交换机通过MAC地址学习维护的端口和MAC地址的对应表)里查到对应的端口(Port)为:vethb4963f3,然后把数据包发往这个端口。

而这个端口,正是nginx-2容器“插”在docker0网桥上的另一块虚拟网卡,当然,它也是一个Veth Pair设备。这样,数据包就进入到了nginx-2容器的Network Namespace里。

所以,nginx-2容器看到的情况是,它自己的eth0网卡上出现了流入的数据包。这样,nginx-2的网络协议栈就会对请求进行处理,最后将响应(Pong)返回到nginx-1。

以上,就是同一个宿主机上的不同容器通过docker0网桥进行通信的流程了。我把这个流程总结成了一幅示意图,如下所示:


需要注意的是,在实际的数据传递时,上述数据的传递过程在网络协议栈的不同层次,都有Linux内核Netfilter参与其中。所以,如果感兴趣的话,你可以通过打开iptables的TRACE功能查看到数据包的传输过程,具体方法如下所示:

# 在宿主机上执行
$ iptables -t raw -A OUTPUT -p icmp -j TRACE
$ iptables -t raw -A PREROUTING -p icmp -j TRACE

通过上述设置,你就可以在/var/log/syslog里看到数据包传输的日志了。这一部分内容,你可以在课后结合iptables的相关知识进行实践,从而验证我和你分享的数据包传递流程。

熟悉了docker0网桥的工作方式,你就可以理解,在默认情况下,被限制在Network Namespace里的容器进程,实际上是通过Veth Pair设备+宿主机网桥的方式,实现了跟同其他容器的数据交换。

与之类似地,当你在一台宿主机上,访问该宿主机上的容器的IP地址时,这个请求的数据包,也是先根据路由规则到达docker0网桥,然后被转发到对应的Veth Pair设备,最后出现在容器里。这个过程的示意图,如下所示:


同样地,当一个容器试图连接到另外一个宿主机时,比如:ping 10.168.0.3,它发出的请求数据包,首先经过docker0网桥出现在宿主机上。然后根据宿主机的路由表里的直连路由规则(10.168.0.0/24 via eth0)),对10.168.0.3的访问请求就会交给宿主机的eth0处理。

所以接下来,这个数据包就会经宿主机的eth0网卡转发到宿主机网络上,最终到达10.168.0.3对应的宿主机上。当然,这个过程的实现要求这两台宿主机本身是连通的。这个过程的示意图,如下所示:


所以说,当你遇到容器连不通“外网”的时候,你都应该先试试docker0网桥能不能ping通,然后查看一下跟docker0和Veth Pair设备相关的iptables规则是不是有异常,往往就能够找到问题的答案了。

不过,在最后一个“Docker容器连接其他宿主机”的例子里,你可能已经联想到了这样一个问题:如果在另外一台宿主机(比如:10.168.0.3)上,也有一个Docker容器。那么,我们的nginx-1容器又该如何访问它呢?

这个问题,其实就是容器的“跨主通信”问题。

在Docker的默认配置下,一台宿主机上的docker0网桥,和其他宿主机上的docker0网桥,没有任何关联,它们互相之间也没办法连通。所以,连接在这些网桥上的容器,自然也没办法进行通信了。

不过,万变不离其宗。

如果我们通过软件的方式,创建一个整个集群“公用”的网桥,然后把集群里的所有容器都连接到这个网桥上,不就可以相互通信了吗?

说得没错。

这样一来,我们整个集群里的容器网络就会类似于下图所示的样子:


可以看到,构建这种容器网络的核心在于:我们需要在已有的宿主机网络上,再通过软件构建一个覆盖在已有宿主机网络之上的、可以把所有容器连通在一起的虚拟网络。所以,这种技术就被称为:Overlay Network(覆盖网络)。

而这个Overlay Network本身,可以由每台宿主机上的一个“特殊网桥”共同组成。比如,当Node 1上的Container 1要访问Node 2上的Container 3的时候,Node 1上的“特殊网桥”在收到数据包之后,能够通过某种方式,把数据包发送到正确的宿主机,比如Node 2上。而Node 2上的“特殊网桥”在收到数据包后,也能够通过某种方式,把数据包转发给正确的容器,比如Container 3。

甚至,每台宿主机上,都不需要有一个这种特殊的网桥,而仅仅通过某种方式配置宿主机的路由表,就能够把数据包转发到正确的宿主机上。这些内容,我在后面的文章中会为你一一讲述。

总结

在今天这篇文章中,我主要为你介绍了在本地环境下,单机容器网络的实现原理和docker0网桥的作用。

这里的关键在于,容器要想跟外界进行通信,它发出的IP包就必须从它的Network Namespace里出来,来到宿主机上。

而解决这个问题的方法就是:为容器创建一个一端在容器里充当默认网卡、另一端在宿主机上的Veth Pair设备。

上述单机容器网络的知识,是后面我们讲解多机容器网络的重要基础,请务必认真消化理解。

思考题

尽管容器的Host Network模式有一些缺点,但是它性能好、配置简单,并且易于调试,所以很多团队会直接使用Host Network。那么,如果要在生产环境中使用容器的Host Network模式,你觉得需要做哪些额外的准备工作呢?

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