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Docker系列4：Docker网络虚拟化基础
更新：HHH   时间：2023-1-7

一、网络虚拟化技术介绍

1、什么是虚拟化网络

虚拟化网络即由linux内核所虚拟出来的网络，事实上，linux内核可模拟多种网络设备

  • 可模拟网线设备：模拟的网线设备是成对出现的，一个可用在容器内，一端用在交换机内

  • 可模拟交换机：容器接在这个交换机上，如果IP在同一网段，就可以实现互相通信，如下

    

网络虚拟化的解决方案有很多，例如：

  • OVS

  • SDN

在物理机上可以有多个虚拟交换机，容器可以分别接在不同的虚拟交换机上，如果两个虚拟交换机不在同一个网段，那么如何进行通信呢？

     

此时需要进行转发

    

  • 可借助于内核转发

  • 也可以借助于iptables转发

2、如何实现两个物理机上的容器怎么通信？

方法1：是桥接模式（比如vmware的桥接）

  • 桥接模式情况下，物理网卡会作为交换机来使用的

  • 所有虚拟机都接入到这个物理网卡所模拟的交换机

  • 然后在模拟出来一个网卡给物理机使用，这个模拟的网卡也接入到交换机上

    

当有数据包过来的时候，物理机网络会判断目标mac

  • 如果是vm1，就将这个数据包转发到vm1

  • 如果是物理机自己的mac地址，那就就将这个报文转发给内部虚拟的网卡

  • 不同主机上的容器，可以用桥接的方式来实现通信，就是将物理网卡作为交换机

    

注意：

  • 桥接模式，代价是很大的，尤其在一个大规模部署的场景中，这样做的结果就一定会导致网络中的主机过多，导致风暴。

方法2：NAT模式

  • 在nat模式场景下，每个容器都还是接入在一个虚拟交换机，并且容器的网关需要指向这个交换机的地址，

  • 当容器产生数据包的时候，这个数据就会发送到虚拟机换机上

  • 虚拟交换机是由内核模拟的是，所以这个数据包会被内核收到

  • 内核就会检查发现目标主机是不是自己，如果不是自己，那么就会将这个数据包从网卡发送出去，这样就完成了数据的发送。

    

注意：此时的问题问题是虽然能将数据发送出去，但是回不来

  • 因为C所发送出去的数据包的源地址是C1，而这个地址被交换机隐藏起来的是，网络中的其他主机是找不到这个地址的，所以，回不来。

  • 如果想让数据可以正常的回复，就需要在H1主机上，在发送数据包的时候，将数据包的源地址修改成H1主机的地址，同时记录下来这个转发规则。

  • 这样，当回复数据的时候，只需要将数据回复给H1主机，H1主机通过检查地址转换表，就知道了需要将这个数据包转发给C1了。

以上两种方式都存在各自的问题

  • 桥接方式：容器需要直接暴露在网络中，容器太多的时候，容器形成风暴

  • NAT方式：容器基于nat进行通信，而且需要进行两次地址转换，效率太低

方法3：叠加网络(Overlay network)，这种网络是基于隧道模式实现的

  • 隧道模式下，也需要模拟一个交换机，而且容器也是接在交换机上，如下图

    

  • 此时在进行数据发送的时候，不会修改数据包的源IP 源mac，而是在会原来数据包的基础上再封装一层ip和mac

二、Docker网络详解

1、Docker的三种网络

[root@host1 ~]# docker network ls
NETWORK ID          NAME                DRIVER              SCOPE
591c75b7dbea        bridge              bridge              local
386d8dc4beb8        host                host                local
eb7b7cf29f29        none                null                local

2、bridge就是桥接模式

  • 这个桥并不是物理网卡的桥，而是创建了一个纯软件的交换机叫做docker0

  • 可以用ip addr或者ip link show看到

[root@host1 ~]# ip addr
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
  ...
2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
  ...
3: ens37: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
  ...
4: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default 
    link/ether 02:42:a4:e8:44:11 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
[root@host1 ~]# ip link show
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:3f:bf:cf brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: ens37: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:3f:bf:d9 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
4: docker0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default 
    link/ether 02:42:a4:e8:44:11 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
6: veth7c1728b@if5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue master docker0 state UP mode DEFAULT group default 
    link/ether 9a:be:3b:60:d7:2e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

启动一个容器

[root@host1 ~]# docker run --rm --name vh2 -it busybox
/ #

此时物理机会多出一个网卡设备

[root@host1 ~]# ip addr
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
 ...
2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
 ...
3: ens37: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
 ...
4: docker0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default 
    link/ether 02:42:a4:e8:44:11 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
    inet6 fe80::42:a4ff:fee8:4411/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever
6: veth7c1728b@if5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue master docker0 state UP group default 
    link/ether 9a:be:3b:60:d7:2e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet6 fe80::98be:3bff:fe60:d72e/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

  • 这个 veth7c1728b@if5 其实就是所生成的一对网卡中，连接到docker0网桥上的那一部分

  • 也就是可以理解三个容器将网线插入到了交换机上

  • 网卡中 @ 前面的部分是接入到虚拟机交换机中的部分

  • 网卡中 @ 后面的部分是容器的部分了

在容器中看一下网卡信息

/ # ip addr

可以通过brctl开控制和查看物理机网卡和容器网卡的对应关系

[root@host1 ~]# yum install bridge-utils -y
[root@host1 ~]# brctl show
bridge namebridge idSTP enabledinterfaces
docker08000.0242a4e84411noveth7c1728b

其实在使用了Docker0网桥的时候，系统是会自动生成一个iptables规则的【POSTROUNTING规则】

[root@host1 ~]# iptables -L -n --line -t nat
Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
num  target     prot opt source               destination         
1    DOCKER     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            ADDRTYPE match dst-type LOCAL

Chain INPUT (policy ACCEPT)
num  target     prot opt source               destination         

Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
num  target     prot opt source               destination         
1    DOCKER     all  --  0.0.0.0/0           !127.0.0.0/8          ADDRTYPE match dst-type LOCAL

Chain POSTROUTING (policy ACCEPT)
num  target     prot opt source               destination         
1    MASQUERADE  all  --  172.17.0.0/16        0.0.0.0/0           

Chain DOCKER (2 references)
num  target     prot opt source               destination         
1    RETURN     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0

docker的客户端来源有三种

  • 宿主机：例如在宿主机上访问容器中的网站

  • 同一宿主机上的其他容器：两个容器接在同一个物理机的同一个交换机上，必然可以通信

  • 其他宿主机或者其他宿主机上的容器：这种情况下需要通过nat方式或者叠加网络的方式通信

3、host模式

一个容器中要隔离6类名称空间

  • user

  • mount

  • pid

  • uts

  • net

  • ipc

思考：有三个容器，这个三个容器只隔离三个名称空间 user mount pid，而另外三个是容器共享的，会是什么现象，如下图

    

  • 此时，各个容器有自己文件系统、用户信息和进程信息，并且是互不干扰的

  • 但是多个容器的主机名、网卡、协议栈是共享的，也就是主机名、地址都是相同的

  • 这样一来，一个容器访问另一个容器的上的资源的时候，直接用12.0.0.1就可以了

  • 比如一个容器安装的apache，一个安装了mysql，一个安装了php，那么这三个主机互相通信，就完全可以基于127地址来完成，因为他们用的是同一个协议栈。

让容器共享物理机的名称空间

  • 容器共享物理机的网卡名称空间，这样的话就是如果在容器中修改网卡，那么就会修改物理机的网卡的。

  • 这种模式就是docker 网络中的第二类：host，也就是让容器使用宿主机的网络名称空间

4、NULL模式

  • docker 网络中的第三类：null

  • 如果一个容器的的网络设置成null网络，那么也就是说这个容器是没有网络，有的时候需要创建一个容器不需要和外部主机通信，那么就可以用这种方式。

5、容器模型分类示意图

  

  • 关闭模型容器（closed）

  • 桥解模型容器（bridged），这个桥是nat桥，不是物理桥，而且该模式是默认模式

  • 联盟模型容器（joined）

  • 开放模型容器（open）

6、查看创建容器的时网络信息

查看一下 bridged 网络模型信息

[root@host1 ~]# docker network inspect bridge
        ...
        ...
                    "Subnet": "172.17.0.0/16",
                    "Gateway": "172.17.0.1"
        ...
        ...
        ...
            "com.docker.network.bridge.name": "docker0",
        ...

查看容器的网络类型

[root@host1 ~]# docker container inspect vh2
        ...
        ...
        ...
        "NetworkSettings": {
            "Bridge": "",
        ...
        ...
        ...
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