Docker网络详解及pipework源码解读与实践

Docker作为目前最火的轻量级容器技术,有很多令人称道的功能,如Docker的镜像管理。然而,Docker同样有着很多不完善的地方,网络 方面就是Docker比较薄弱的部分。因此,我们有必要深入了解Docker的网络知识,以满足更高的网络需求。本文首先介绍了Docker自身的4种网 络工作方式,然后通过3个样例 —— 将Docker容器配置到本地网络环境中、单主机Docker容器的VLAN划分、多主机Docker容器的VLAN划分,演示了如何使用pipework帮助我们进行复杂的网络设置,以及pipework是如何工作的。

1. Docker的4种网络模式

我们在使用docker run创建Docker容器时,可以用–net选项指定容器的网络模式,Docker有以下4种网络模式:

  • host模式,使用–net=host指定。
  • container模式,使用–net=container:NAME_or_ID指定。
  • none模式,使用–net=none指定。
  • bridge模式,使用–net=bridge指定,默认设置。

下面分别介绍一下Docker的各个网络模式。

1.1 host模式

众所周知,Docker使用了Linux的Namespaces技术来进行资源隔离,如PID Namespace隔离进程,Mount Namespace隔离文件系统,Network Namespace隔离网络等。一个Network Namespace提供了一份独立的网络环境,包括网卡、路由、Iptable规则等都与其他的Network Namespace隔离。一个Docker容器一般会分配一个独立的Network Namespace。但如果启动容器的时候使用host模式,那么这个容器将不会获得一个独立的Network Namespace,而是和宿主机共用一个Network Namespace。容器将不会虚拟出自己的网卡,配置自己的IP等,而是使用宿主机的IP和端口。

例如,我们在10.10.101.105/24的机器上用host模式启动一个含有web应用的Docker容器,监听tcp80端口。当我们在容 器中执行任何类似ifconfig命令查看网络环境时,看到的都是宿主机上的信息。而外界访问容器中的应用,则直接使用10.10.101.105:80 即可,不用任何NAT转换,就如直接跑在宿主机中一样。但是,容器的其他方面,如文件系统、进程列表等还是和宿主机隔离的。

1.2 container模式

在理解了host模式后,这个模式也就好理解了。这个模式指定新创建的容器和已经存在的一个容器共享一个Network Namespace,而不是和宿主机共享。新创建的容器不会创建自己的网卡,配置自己的IP,而是和一个指定的容器共享IP、端口范围等。同样,两个容器 除了网络方面,其他的如文件系统、进程列表等还是隔离的。两个容器的进程可以通过lo网卡设备通信。

1.3 none模式

这个模式和前两个不同。在这种模式下,Docker容器拥有自己的Network Namespace,但是,并不为Docker容器进行任何网络配置。也就是说,这个Docker容器没有网卡、IP、路由等信息。需要我们自己为Docker容器添加网卡、配置IP等。

1.4 bridge模式

bridge模式是Docker默认的网络设置,此模式会为每一个容器分配Network Namespace、设置IP等,并将一个主机上的Docker容器连接到一个虚拟网桥上。下面着重介绍一下此模式。

1.4.1 bridge模式的拓扑

当Docker server启动时,会在主机上创建一个名为docker0的虚拟网桥,此主机上启动的Docker容器会连接到这个虚拟网桥上。虚拟网桥的工作方式和物 理交换机类似,这样主机上的所有容器就通过交换机连在了一个二层网络中。接下来就要为容器分配IP了,Docker会从RFC1918所 定义的私有IP网段中,选择一个和宿主机不同的IP地址和子网分配给docker0,连接到docker0的容器就从这个子网中选择一个未占用的IP使 用。如一般Docker会使用172.17.0.0/16这个网段,并将172.17.42.1/16分配给docker0网桥(在主机上使用 ifconfig命令是可以看到docker0的,可以认为它是网桥的管理接口,在宿主机上作为一块虚拟网卡使用)。单机环境下的网络拓扑如下,主机地址 为10.10.101.105/24。

Docker完成以上网络配置的过程大致是这样的:

  1. 在主机上创建一对虚拟网卡veth pair设备。veth设备总是成对出现的,它们组成了一个数据的通道,数据从一个设备进入,就会从另一个设备出来。因此,veth设备常用来连接两个网络设备。
  2. Docker将veth pair设备的一端放在新创建的容器中,并命名为eth0。另一端放在主机中,以veth65f9这样类似的名字命名,并将这个网络设备加入到docker0网桥中,可以通过brctl show命令查看。

  3. 从docker0子网中分配一个IP给容器使用,并设置docker0的IP地址为容器的默认网关。

网络拓扑介绍完后,接着介绍一下bridge模式下容器是如何通信的。

1.4.2 bridge模式下容器的通信

在bridge模式下,连在同一网桥上的容器可以相互通信(若出于安全考虑,也可以禁止它们之间通信,方法是在DOCKER_OPTS变量中设置–icc=false,这样只有使用–link才能使两个容器通信)。

容器也可以与外部通信,我们看一下主机上的Iptable规则,可以看到这么一条

-A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o docker0 -j MASQUERADE

这条规则会将源地址为172.17.0.0/16的包(也就是从Docker容器产生的包),并且不是从docker0网卡发出的,进行源地址转 换,转换成主机网卡的地址。这么说可能不太好理解,举一个例子说明一下。假设主机有一块网卡为eth0,IP地址为10.10.101.105/24,网 关为10.10.101.254。从主机上一个IP为172.17.0.1/16的容器中ping百度(180.76.3.151)。IP包首先从容器发 往自己的默认网关docker0,包到达docker0后,也就到达了主机上。然后会查询主机的路由表,发现包应该从主机的eth0发往主机的网关 10.10.105.254/24。接着包会转发给eth0,并从eth0发出去(主机的ip_forward转发应该已经打开)。这时候,上面的 Iptable规则就会起作用,对包做SNAT转换,将源地址换为eth0的地址。这样,在外界看来,这个包就是从10.10.101.105上发出来 的,Docker容器对外是不可见的。

那么,外面的机器是如何访问Docker容器的服务呢?我们首先用下面命令创建一个含有web应用的容器,将容器的80端口映射到主机的80端口。

docker run -d --name web -p 80:80 fmzhen/simpleweb

然后查看Iptable规则的变化,发现多了这样一条规则:

-A DOCKER ! -i docker0 -p tcp -m tcp --dport 80 -j DNAT --to-destination 172.17.0.5:80

此条规则就是对主机eth0收到的目的端口为80的tcp流量进行DNAT转换,将流量发往172.17.0.5:80,也就是我们上面创建的Docker容器。所以,外界只需访问10.10.101.105:80就可以访问到容器中得服务。

除此之外,我们还可以自定义Docker使用的IP地址、DNS等信息,甚至使用自己定义的网桥,但是其工作方式还是一样的。

2. pipework的使用以及源码分析

Docker自身的网络功能比较简单,不能满足很多复杂的应用场景。因此,有很多开源项目用来改善Docker的网络功能,如pipeworkweaveflannel等。这里,就先介绍一下pipework的使用和工作原理。

pipework是由Docker的工程师Jérôme Petazzoni开发的一个Docker网络配置工具,由200多行shell实现,方便易用。下面用三个场景来演示pipework的使用和工作原理。

2.1 将Docker容器配置到本地网络环境中

为了使本地网络中的机器和Docker容器更方便的通信,我们经常会有将Docker容器配置到和主机同一网段的需求。这个需求其实很容易实现,我们只要将Docker容器和主机的网卡桥接起来,再给Docker容器配上IP就可以了。

下面我们来操作一下,我主机A地址为10.10.101.105/24,网关为10.10.101.254,需要给Docker容器的地址配置为10.10.101.150/24。在主机A上做如下操作:

#安装pipework
git clone https://github.com/jpetazzo/pipework
cp ~/pipework/pipework /usr/local/bin/
#启动Docker容器。
docker run -itd --name test1 ubuntu /bin/bash
#配置容器网络,并连到网桥br0上。网关在IP地址后面加@指定。
#若主机环境中存在dhcp服务器,也可以通过dhcp的方式获取IP
#pipework br0 test1 dhcp
pipework br0 test1 10.10.101.150/24@10.10.101.254
#将主机eth0桥接到br0上,并把eth0的IP配置在br0上。这里由于是远程操作,中间网络会断掉,所以放在一条命令中执行。
ip addr add 10.10.101.105/24 dev br0; \
    ip addr del 10.10.101.105/24 dev eth0; \
    brctl addif br0 eth0; \
    ip route del default; \
    ip route add default gw 10.10.101.254 dev br0

完成上述步骤后,我们发现Docker容器已经可以使用新的IP和主机网络里的机器相互通信了。

pipework工作原理分析

那么容器到底发生了哪些变化呢?我们docker attach到test1上,发现容器中多了一块eth1的网卡,并且配置了10.10.101.150/24的IP,而且默认路由也改为了 10.10.101.254。这些都是pipework帮我们配置的。通过查看源代码,可以发现pipework br0 test1 10.10.101.150/24@10.10.101.254是由以下命令完成的(这里只列出了具体执行操作的代码)。

#创建br0网桥
#若ovs开头,则创建OVS网桥 ovs-vsctl add-br ovs*
brctl addbr $IFNAME
#创建veth pair,用于连接容器和br0
ip link add name $LOCAL_IFNAME mtu $MTU type veth peer name $GUEST_IFNAME mtu $MTU
#找到Docker容器test1在主机上的PID,创建容器网络命名空间的软连接
DOCKERPID=$(docker inspect --format='{{ .State.Pid }}' $GUESTNAME)
ln -s /proc/$NSPID/ns/net /var/run/netns/$NSPID
#将veth pair一端放入Docker容器中,并设置正确的名字eth1
ip link set $GUEST_IFNAME netns $NSPID
ip netns exec $NSPID ip link set $GUEST_IFNAME name $CONTAINER_IFNAME
#将veth pair另一端加入网桥
#若为OVS网桥则为 ovs-vsctl add-port $IFNAME $LOCAL_IFNAME ${VLAN:+"tag=$VLAN"}
brctl addif $IFNAME $LOCAL_IFNAME
#为新增加的容器配置IP和路由
ip netns exec $NSPID ip addr add $IPADDR dev $CONTAINER_IFNAME
ip netns exec $NSPID ip link set $CONTAINER_IFNAME up
ip netns exec $NSPID ip route delete default
ip netns exec $NSPID ip route add $GATEWAY/32 dev $CONTAINER_IFNAME
  1. 首先pipework检查是否存在br0网桥,若不存在,就自己创建。若以”ovs”开头,就会创建OpenVswitch网桥,以”br”开头,创建Linux bridge。
  2. 创建veth pair设备,用于为容器提供网卡并连接到br0网桥。
  3. 使用docker inspect找到容器在主机中的PID,然后通过PID将容器的网络命名空间链接到/var/run/netns/目录下。这么做的目的是,方便在主机 上使用ip netns命令配置容器的网络。因为,在Docker容器中,我们没有权限配置网络环境。
  4. 将之前创建的veth pair设备分别加入容器和网桥中。在容器中的名称默认为eth1,可以通过pipework的-i参数修改该名称。
  5. 然后就是配置新网卡的IP。若在IP地址的后面加上网关地址,那么pipework会重新配置默认路由。这样容器通往外网的流量会经由新配置的 eth1出去,而不是通过eth0和docker0。(若想完全抛弃自带的网络设置,在启动容器的时候可以指定–net=none)

以上就是pipework配置Docker网络的过程,这和Docker的bridge模式有着相似的步骤。事实上,Docker在实现上也采用了相同的底层机制。

通过源代码,可以看出,pipework通过封装Linux上的ip、brctl等命令,简化了在复杂场景下对容器连接的操作命令,为我们配置复杂 的网络拓扑提供了一个强有力的工具。当然,如果想了解底层的操作,我们也可以直接使用这些Linux命令来完成工作,甚至可以根据自己的需求,添加额外的 功能。

2.2 单主机Docker容器VLAN划分

pipework不仅可以使用Linux bridge连接Docker容器,还可以与OpenVswitch结合,实现Docker容器的VLAN划分。下面,就来简单演示一下,在单机环境下,如何实现Docker容器间的二层隔离。

为了演示隔离效果,我们将4个容器放在了同一个IP网段中。但实际他们是二层隔离的两个网络,有不同的广播域。

#在主机A上创建4个Docker容器,test1、test2、test3、test4
docker run -itd --name test1 ubuntu /bin/bash
docker run -itd --name test2 ubuntu /bin/bash
docker run -itd --name test3 ubuntu /bin/bash
docker run -itd --name test4 ubuntu /bin/bash
#将test1,test2划分到一个vlan中,vlan在mac地址后加@指定,此处mac地址省略。
pipework ovs0 test1 192.168.0.1/24 @100
pipework ovs0 test2 192.168.0.2/24 @100
#将test3,test4划分到另一个vlan中
pipework ovs0 test3 192.168.0.3/24 @200
pipework ovs0 test4 192.168.0.4/24 @200

完成上述操作后,使用docker attach连到容器中,然后用ping命令测试连通性,发现test1和test2可以相互通信,但与test3和test4隔离。这样,一个简单的VLAN隔离容器网络就已经完成。

由于OpenVswitch本身支持VLAN功能,所以这里pipework所做的工作和之前介绍的基本一样,只不过将Linux bridge替换成了OpenVswitch,在将veth pair的一端加入ovs0网桥时,指定了tag。底层操作如下:

ovs-vsctl add-port ovs0 veth* tag=100

2.3 多主机Docker容器的VLAN划分

上面介绍完了单主机上VLAN的隔离,下面我们将情况延伸到多主机的情况。有了前面两个例子做铺垫,这个也就不难了。为了实现这个目的,我们把宿主 机上的网卡桥接到各自的OVS网桥上,然后再为容器配置IP和VLAN就可以了。我们实验环境如下,主机A和B各有一块网卡eth0,IP地址分别为 10.10.101.105/24、10.10.101.106/24。在主机A上创建两个容器test1、test2,分别在VLAN 100和VLAN 200上。在主机B上创建test3、test4,分别在VLAN 100和VLAN 200 上。最终,test1可以和test3通信,test2可以和test4通信。

#在主机A上
#创建Docker容器
docker run -itd --name test1 ubuntu /bin/bash
docker run -itd --name test2 ubuntu /bin/bash
#划分VLAN
pipework ovs0 test1 192.168.0.1/24 @100
pipework ovs0 test2 192.168.0.2/24 @200
#将eth0桥接到ovs0上
ip addr add 10.10.101.105/24 dev ovs0; \
    ip addr del 10.10.101.105/24 dev eth0; \
    ovs-vsctl add-port ovs0 eth0; \
    ip route del default; \
    ip route add default gw 10.10.101.254 dev ovs0
    
#在主机B上
#创建Docker容器
docker run -itd --name test3 ubuntu /bin/bash
docker run -itd --name test4 ubuntu /bin/bash
#划分VLAN
pipework ovs0 test1 192.168.0.3/24 @100
pipework ovs0 test2 192.168.0.4/24 @200
#将eth0桥接到ovs0上
ip addr add 10.10.101.106/24 dev ovs0; \
    ip addr del 10.10.101.106/24 dev eth0; \
    ovs-vsctl add-port ovs0 eth0; \
    ip route del default; \
    ip route add default gw 10.10.101.254 dev ovs0

完成上面的步骤后,主机A上的test1和主机B上的test3容器就划分到了一个VLAN中,并且与主机A上的test2和主机B上的test4 隔离(主机eth0网卡需要设置为混杂模式,连接主机的交换机端口应设置为trunk模式,即允许VLAN 100和VLAN 200的包通过)。拓扑图如下所示(省去了Docker默认的eth0网卡和主机上的docker0网桥):

除此之外,pipework还支持使用macvlan设备、设置网卡MAC地址等功能。不过,pipework有一个缺陷,就是配置的容器在关掉重启后,之前的设置会丢失。

3. 总结

通过上面的介绍,我相信大家对Docker的网络已经有了一定的了解。对于一个基本应用而言,Docker的网络模型已经很不错了。然而,随着云计 算和微服务的兴起,我们不能永远停留在使用基本应用的级别上,我们需要性能更好且更灵活的网络功能。pipework正好满足了我们这样的需求,从上面的 样例中,我们可以看到pipework的方便之处。但是,同时也应注意到,pipework并不是一套解决方案,它只是一个网络配置工具,我们可以利用它 提供的强大功能,帮助我们构建自己的解决方案。

该文章转载于http://www.infoq.com/cn/articles/docker-network-and-pipework-open-source-explanation-practice

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