Docker容器网络-实现篇

通常，Linux容器的网络是被隔离在它自己的Network Namespace中，其中就包括：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，就构成了它发起和响应网络请求的基本环境。

前文说到容器网络对Linux虚拟化技术的依赖，这一篇章我们将一探究竟，看看Docker究竟是怎么做的。

管中窥豹

我们在执行 docker run -d --name xxx   之后，进入容器内部：

## docker ps 可查看所有docker
## 进入容器
docker exec -it 228ae947b20e /bin/bash

并执行 ifconfig ：

$ ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 22:A4:C8:79:DD:1A
          inet addr:192.168.65.28  Bcast:0.0.0.0  Mask:255.255.255.255
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1440  Metric:1
          RX packets:2231528 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:3340914 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0
          RX bytes:249385222 (237.8 MiB)  TX bytes:590701793 (563.3 MiB)

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)

我们看到一张叫eth0的网卡，它正是一个Veth Pair设备在容器的这一端。

我们再通过 route 查看该容器的路由表：

$ route
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
default         169.254.1.1     0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0
169.254.1.1     *               255.255.255.255 UH    0      0        0 eth0

我们可以看到这个eth0是这个容器的默认路由设备。我们也可以通过第二条路由规则，看到所有对 169.254.1.1/16 网段的请求都会交由eth0来处理。

而Veth Pair 设备的另一端，则在宿主机上，我们同样也可以通过查看宿主机的网络设备来查看它：

$ ifconfig
......
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.16.241.192  netmask 255.255.240.0  broadcast 172.16.255.255
        ether 00:16:3e:0a:f3:75  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 3168620550  bytes 727592674740 (677.6 GiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 2937180637  bytes 8661914052727 (7.8 TiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
......
docker0: flags=4099<UP,BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.1  netmask 255.255.0.0  broadcast 172.17.255.255
        ether 02:42:16:58:92:43  txqueuelen 0  (Ethernet)
        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
......
vethd08be47: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 16:37:8d:fe:36:eb  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 193  bytes 22658 (22.1 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 134  bytes 23655 (23.1 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
......

在宿主机上，容器对应的Veth Pair设备是一张虚拟网卡，我们再用 brctl show 命令查看网桥：

$ brctl show
bridge name	bridge id		STP enabled	interfaces
docker0		8000.0242afb1a841	no		vethd08be47

可以清楚的看到Veth Pair的一端 vethd08be47 就插在 docker0 上。

我现在执行docker run 启动两个容器，就会发现docker0上插入两个容器的 Veth Pair的一端。如果我们在一个容器内部互相ping另外一个容器的IP地址，是不是也能ping通？

$ brctl show
bridge name	bridge id		STP enabled	interfaces
docker0		8000.0242afb1a841	no		veth26cf2cc
																	veth8762ad2

容器1：

$ docker exec -it f8014a4d34d0 /bin/bash
$ ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 02:42:AC:11:00:03
          inet addr:172.17.0.3  Bcast:172.17.255.255  Mask:255.255.0.0
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:76 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:106 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0
          RX bytes:16481 (16.0 KiB)  TX bytes:14711 (14.3 KiB)

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:48 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:48 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000
          RX bytes:2400 (2.3 KiB)  TX bytes:2400 (2.3 KiB)
$ 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      *               255.255.0.0     U     0      0        0 eth0

容器2：

$ docker exec -it 9a6f38076c04 /bin/bash
$ 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:133 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:193 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0
          RX bytes:23423 (22.8 KiB)  TX bytes:22624 (22.0 KiB)

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:198 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:198 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000
          RX bytes:9900 (9.6 KiB)  TX bytes:9900 (9.6 KiB)
$ 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      *               255.255.0.0     U     0      0        0 eth0

从一个容器ping另外一个容器：

# -> 容器1内部 ping 容器2
$ ping 172.17.0.3
PING 172.17.0.3 (172.17.0.3): 56 data bytes
64 bytes from 172.17.0.3: seq=0 ttl=64 time=0.142 ms
64 bytes from 172.17.0.3: seq=1 ttl=64 time=0.096 ms
64 bytes from 172.17.0.3: seq=2 ttl=64 time=0.089 ms

我们看到，在一个容器内部ping另外一个容器的ip，是可以ping通的。也就意味着，这两个容器是可以互相通信的。

容器通信

我们不妨结合前文时所说的，理解下为什么一个容器能访问另一个容器？先简单看如一幅图：

当在容器1里访问容器2的地址，这个时候目的IP地址会匹配到容器1的第二条路由规则，这条路由规则的Gateway是0.0.0.0，意味着这是一条直连规则，也就是说凡是匹配到这个路由规则的请求，会直接通过eth0网卡，通过二层网络发往目的主机。而要通过二层网络到达容器2，就需要127.17.0.3对应的MAC地址。所以，容器1的网络协议栈就需要通过eth0网卡来发送一个ARP广播，通过IP找到MAC地址。所谓ARP（Address Resolution Protocol），就是通过三层IP地址找到二层的MAC地址的协议。这里说到的eth0，就是Veth Pair的一端，另一端则插在了宿主机的docker0网桥上。eth0这样的虚拟网卡插在docker0上，也就意味着eth0变成docker0网桥的“从设备”。从设备会降级成docker0设备的端口，而调用网络协议栈处理数据包的资格全部交给docker0网桥。

所以，在收到ARP请求之后，docker0就会扮演二层交换机的角色，把ARP广播发给其它插在docker0网桥的虚拟网卡上，这样，127.17.0.3就会收到这个广播，并把其MAC地址返回给容器1。有了这个MAC地址，容器1的eth0的网卡就可以把数据包发送出去。

这个数据包会经过Veth Pair在宿主机的另一端veth26cf2cc，直接交给docker0。docker0转发的过程，就是继续扮演二层交换机，docker0根据数据包的目标MAC地址，在CAM表查到对应的端口为veth8762ad2，然后把数据包发往这个端口。而这个端口，就是容器2的Veth Pair在宿主机的另一端，这样，数据包就进入了容器2的Network Namespace，最终容器2将响应（Pong）返回给容器1。在真实的数据传递中，Linux内核Netfilter/Iptables也会参与其中，这里不再赘述。

CAM就是交换机通过MAC地址学习维护端口和MAC地址的对应表

这里介绍的容器间的通信方式就是docker中最常见的bridge模式，当然此外还有host模式、container模式、none模式等，对其它模式有兴趣的可以去阅读相关资料。

跨主通信

好了，这里不禁问个问题，到目前为止只是单主机内部的容器间通信，那跨主机网络呢？

在Docker默认配置下，一台宿主机的docker0网桥是无法和其它宿主机连通的，它们之间没有任何关联，所以这些网桥上的容器，自然就没办法多主机之间互相通信。但是无论怎么变化，道理都是一样的，如果我们创建一个公共的网桥，是不是集群中所有容器都可以通过这个公共网桥去连接？

当然在正常的情况下，节点与节点的通信往往可以通过NAT的方式，但是，这个在互联网发展的今天，在容器化环境下未必适用。例如在向注册中心注册实例的时候，肯定会携带IP，在正常物理机内的应用当然没有问题，但是容器化环境却未必，容器内的IP很可能就是上文所说的172.17.0.2，多个节点都会存在这个IP，大概率这个IP是冲突的。如果我们想避免这个问题，就会携带宿主机的IP和映射的端口去注册。但是这又带来一个问题，即容器内的应用去意识到这是一个容器，而非物理机，当在容器内，应用需要去拿容器所在的物理机的IP，当在容器外，应用需要去拿当前物理机的IP。显然，这并不是一个很好的设计，这需要应用去配合配置。所以，基于此，我们肯定要寻找其他的容器网络解决方案。

在上图这种容器网络中，我们需要在我们已有的主机网络上，通过软件构建一个覆盖在多个主机之上，且能把所有容器连通的虚拟网络。这种就是Overlay Network（覆盖网络）。

关于这些具体的网络解决方案，例如Flannel、Calico等，我会在后续篇幅继续陈述。