Libnetwork底层原理以及Docker网络实现

1、CNM

CNM (Container Network Model) 是 Docker 发布的容器网络标准，意在规范和指定容器网络发展标准，CNM 抽象了容器的网络接口 ，使得只要满足 CNM 接口的网络方案都可以接入到 Docker 容器网络，更好地满足了用户网络模型多样化的需求。

CNM 只是定义了网络标准，对于底层的具体实现并不太关心，这样便解耦了容器和网络，使得容器的网络模型更加灵活。

CNM 定义的网络标准包含三个重要元素。

• 沙箱（Sandbox）：沙箱代表了一系列网络堆栈的配置，其中包含路由信息、网络接口等网络资源的管理，沙箱的实现通常是 Linux 的 Net Namespace，但也可以通过其他技术来实现，比如 FreeBSD jail 等。
• 接入点（Endpoint）：接入点将沙箱连接到网络中，代表容器的网络接口，接入点的实现通常是 Linux 的 veth 设备对。
• 网络（Network）：网络是一组可以互相通信的接入点，它将多接入点组成一个子网，并且多个接入点之间可以相互通信。

为了更好地构建容器网络标准，Docker 团队把网络功能从 Docker 中剥离出来，成为独立的项目 libnetwork，它通过插件的形式为 Docker 提供网络功能。Libnetwork 是开源的，使用 Golang 编写，它完全遵循 CNM 网络规范，是 CNM 的官方实现。

2、Libnetwork的工作流程

Libnetwork 是 Docker 启动容器时，用来为 Docker 容器提供网络接入功能的插件，它可以让 Docker 容器顺利接入网络，实现主机和容器网络的互通。

第一步：Docker 通过调用 libnetwork.New 函数来创建 NetworkController 实例。NetworkController 是一个接口类型，提供了各种接口，代码如下：

type NetworkController interface {

   // 创建一个新的网络。 options 参数用于指定特性类型的网络选项。

   NewNetwork(networkType, name string, id string, options ...NetworkOption) (Network, error)

   // ... 此处省略部分接口

}

第二步：通过调用 NewNetwork 函数创建指定名称和类型的 Network，其中 Network 也是接口类型，代码如下:

type Network interface {

   // 为该网络创建一个具有唯一指定名称的接入点（Endpoint）

   CreateEndpoint(name string, options ...EndpointOption) (Endpoint, error)

   // 删除网络

   Delete() error

// ... 此处省略部分接口

}

第三步：通过调用 CreateEndpoint 来创建接入点（Endpoint）。在 CreateEndpoint 函数中为容器分配了 IP 和网卡接口。其中 Endpoint 也是接口类型，代码如下：

// Endpoint 表示网络和沙箱之间的逻辑连接。

type Endpoint interface {

   // 将沙箱连接到接入点，并将为接入点分配的网络资源填充到沙箱中。

   // the network resources allocated for the endpoint.

   Join(sandbox Sandbox, options ...EndpointOption) error

   // 删除接入点

   Delete(force bool) error

   // ... 此次省略部分接口

}

第四步：调用 NewSandbox 来创建容器沙箱，主要是初始化 Namespace 相关的资源。

第五步：调用 Endpoint 的 Join 函数将沙箱和网络接入点关联起来，此时容器就加入了 Docker 网络并具备了网络访问能力。

3、Libnetwork常见网络模式

1、null空网络模式

有时候，我们需要处理一些保密数据，出于安全考虑，我们需要一个隔离的网络环境执行一些纯计算任务。这时候 null 网络模式就派上用场了，这时候我们的容器就像一个没有联网的电脑，处于一个相对较安全的环境，确保我们的数据不被他人从网络窃取。

使用 Docker 创建 null 空网络模式的容器时，容器拥有自己独立的 Net Namespace，但是此时的容器并没有任何网络配置。在这种模式下，Docker 除了为容器创建了 Net Namespace 外，没有创建任何网卡接口、IP 地址、路由等网络配置。我们可以一起来验证下。

我们使用 docker run 命令启动时，添加 --net=none 参数启动一个空网络模式的容器，命令如下：

# docker run --net=none -it busybox

容器启动后，我们使用ifconfig命令来查看一下容器内的网络配置信息

/ # ifconfig
lo        Link encap:Local Loopback
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1
          RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000
          RX bytes:0 (0.0 B)  TX bytes:0 (0.0 B)

/ #

可以看到容器内除了 Net Namespace 自带的 lo 网卡并没有创建任何虚拟网卡，然后我们再使用 route -n 命令查看一下容器内的路由信息:

/ # route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
/ #

可以看到容器内也并没有配置任何路由信息。

2、bridge桥接模式

Docker 的 bridge 网络是启动容器时默认的网络模式，使用 bridge 网络可以实现容器与容器的互通，可以从一个容器直接通过容器 IP 访问到另外一个容器。同时使用 bridge 网络可以实现主机与容器的互通，我们在容器内启动的业务，可以从主机直接请求。

我们需要先了解一下 Linux 的 veth 和 bridge 相关的技术，因为 Docker 的 bridge 模式正是由这两种技术实现的。

• Linux veth

  veth 是 Linux 中的虚拟设备接口，veth 都是成对出现的，它在容器中，通常充当一个桥梁。veth 可以用来连接虚拟网络设备，例如 veth 可以用来连通两个 Net Namespace，从而使得两个 Net Namespace 之间可以互相访问。

• Linux bridge

  Linux bridge 是一个虚拟设备，是用来连接网络的设备，相当于物理网络环境中的交换机。Linux bridge 可以用来转发两个 Net Namespace 内的流量。

我们可以看到，bridge 就像一台交换机，而 veth 就像一根网线，通过交换机和网线可以把两个不同 Net Namespace 的容器连通，使得它们可以互相通信。

Docker 的 bridge 模式也是这种原理。Docker 启动时，libnetwork 会在主机上创建 docker0 网桥，docker0 网桥就相当于图 中的交换机，而 Docker 创建出的 brige 模式的容器则都会连接 docker0 上，从而实现网络互通。

3、host主机网络模式

容器内的网络并不是希望永远跟主机是隔离的，有些基础业务需要创建或更新主机的网络配置，我们的程序必须以主机网络模式运行才能够修改主机网络，这时候就需要用到 Docker 的 host 主机网络模式。

使用 host 主机网络模式时：

• libnetwork 不会为容器创建新的网络配置和 Net Namespace。
• Docker 容器中的进程直接共享主机的网络配置，可以直接使用主机的网络信息，此时，在容器内监听的端口，也将直接占用到主机的端口。
• 除了网络共享主机的网络外，其他的包括进程、文件系统、主机名等都是与主机隔离的。

host 主机网络模式通常适用于想要使用主机网络，但又不想把运行环境直接安装到主机上的场景中。例如我想在主机上运行一个 busybox 服务，但又不想直接把 busybox 安装到主机上污染主机环境，此时我可以使用以下命令启动一个主机网络模式的 busybox 镜像：

# docker run -it --net=host busybox
/ # ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens32: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:30:6d:8c brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.209.148/24 brd 192.168.209.255 scope global dynamic noprefixroute ens32
       valid_lft 1478sec preferred_lft 1478sec
    inet6 fe80::8081:c385:2b72:fe59/64 scope link noprefixroute
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue
    link/ether 02:42:11:6b:1c:9b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0
       valid_lft forever preferred_lft forever
/ #

可以看到容器内的网络环境与主机完全一致。

4、container网络模式

container 网络模式允许一个容器共享另一个容器的网络命名空间。当两个容器需要共享网络，但其他资源仍然需要隔离时就可以使用 container 网络模式，例如我们开发了一个 http 服务，但又想使用 nginx 的一些特性，让 nginx 代理外部的请求然后转发给自己的业务，这时我们使用 container 网络模式将自己开发的服务和 nginx 服务部署到同一个网络命名空间中。

下面我举例说明。首先我们使用以下命令启动一个 busybox1 容器：

# docker run -d --name=busybox1 busybox sleep 3600

然后使用docker exec命令进入到busybox1容器查看网络配置：

# docker exec -it busybox1 sh
/ # ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 02:42:AC:11:00:02
          inet addr:172.17.0.2  Bcast:172.17.255.255  Mask:255.255.0.0
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:13 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0
          RX bytes:1182 (1.1 KiB)  TX bytes:0 (0.0 B)

lo        Link encap:Local Loopback
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1
          RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000
          RX bytes:0 (0.0 B)  TX bytes:0 (0.0 B)

/ #

可以看到 busybox1 的 IP 地址为 172.17.0.2。

然后我们新打开一个命令行窗口，再启动一个 busybox2 容器，通过 container 网络模式连接到 busybox1 的网络，命令如下：

# docker run -it --net=container:busybox1 --name=busybox2 busybox sh
/ # ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 02:42:AC:11:00:02
          inet addr:172.17.0.2  Bcast:172.17.255.255  Mask:255.255.0.0
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:14 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0
          RX bytes:1252 (1.2 KiB)  TX bytes:0 (0.0 B)

lo        Link encap:Local Loopback
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1
          RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000
          RX bytes:0 (0.0 B)  TX bytes:0 (0.0 B)

/ #

可以看到 busybox2 容器的网络 IP 也为 172.17.0.2，与 busybox1 的网络一致。