一篇文章講明白 Docker 網(wǎng)絡原理

作者：蠻荊 2023-04-06 08:37:24

Docker 原生網(wǎng)絡是基于 Linux 的網(wǎng)絡命名空間（net namespace）和虛擬網(wǎng)絡設備（veth pair）實現(xiàn)的。當 Docker 進程啟動時，會在宿主機上創(chuàng)建一個名稱為 docker0 的虛擬網(wǎng)橋，在該宿主機上啟動的 Docker 容器會連接到這個虛擬網(wǎng)橋上。

概述

$ ifconfig

# 輸出如下

docker0: ... mtu 1500
inet 172.17.0.1  netmask 255.255.0.0  broadcast 172.17.255.255
...

虛擬網(wǎng)橋的工作方式和物理交換機類似，宿主機上所有的容器通過虛擬網(wǎng)橋連接在一個二層網(wǎng)絡中。

從 docker0 子網(wǎng)中分配一個 IP 給容器使用，并設置 docker0 的 IP 地址為容器的默認網(wǎng)關。在宿主機上創(chuàng)建一對虛擬網(wǎng)卡 veth pair 設備， Docker 將 veth pair 設備的一端放在新創(chuàng)建的容器中，并命名為 eth0（容器的網(wǎng)卡），另一端放在宿主機中，以 vethxxx 類似的名字命名，并將這個網(wǎng)絡設備連接到 docker0 網(wǎng)橋中。

Docker 會自動配置 iptables 規(guī)則和配置 NAT，便于連通宿主機上的 docker0 網(wǎng)橋，完成這些操作之后，容器就可以使用它的 eth0 虛擬網(wǎng)卡，來連接其他容器和訪問外部網(wǎng)絡。

Docker 中的網(wǎng)絡接口默認都是虛擬的接口，Linux 在內(nèi)核中通過數(shù)據(jù)復制實現(xiàn)接口之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)在不同 Docker 容器或容器與宿主機之間的轉發(fā)效率，發(fā)送接口發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)包，將直接復制到接收接口的緩存中，無需通過物理網(wǎng)絡設備進行交換。

# 查詢主機上 veth 設備
$ ifconfig | grep veth*

veth06f40aa: 
...
vethfdfd27a:

圖片來源: https://www.suse.com/c/rancher_blog/introduction-to-container-networking/

虛擬網(wǎng)橋 docker0 通過 iptables 配置與宿主機器上的網(wǎng)卡相連，符合條件的請求都會通過 iptables 轉發(fā)到 docker0, 然后分發(fā)給對應的容器。

# 查看 docker 的 iptables 配置
$ iptables -t nat -L

# 輸出如下

Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
DOCKER     all  --  anywhere             anywhere             ADDRTYPE match dst-type LOCAL

Chain DOCKER (2 references)
target     prot opt source               destination
RETURN     all  --  anywhere             anywhere

網(wǎng)絡驅(qū)動

Docker 的網(wǎng)絡子系統(tǒng)支持插拔式的驅(qū)動程序，默認存在多個驅(qū)動程序，并提供核心網(wǎng)絡功能。

名稱	描述
bridge	默認的網(wǎng)絡設備，當應用程序所在的容器需要通信時使用
host	移除容器與宿主機之間的網(wǎng)絡隔離，直接使用宿主機的網(wǎng)絡
overlay	將多個容器連接，并使集群服務能夠相互通信
ipvlan	使用戶可以完全控制 IPv4 和 IPv6 尋址
macvlan	可以為容器分配 MAC 地址
none	禁用所有網(wǎng)絡
Network plugins	通過 Docker 安裝和使用第三方網(wǎng)絡插件

圖片來源: Docker——容器與容器云

Docker daemon 通過調(diào)用 libnetwork 提供的 API 完成網(wǎng)絡的創(chuàng)建和管理等功能。libnetwork 中使用了 CNM 來完成網(wǎng)絡功能， CNM 中主要有沙盒（sandbox）、端點（endpoint）和網(wǎng)絡（network）3 種組件。

? 沙盒：一個沙盒包含了一個容器網(wǎng)絡棧的信息。一個沙盒可以有多個端點和多個網(wǎng)絡，沙盒可以對容器的接口、路由和 DNS 設置等進行管理，沙盒的實現(xiàn)可以是 Linux network namespace、FreeBSD Jail或者類似的機制

? 端點：一個端點可以加入一個沙盒和一個網(wǎng)絡。一個端點只屬于一個網(wǎng)絡和一個沙盒，端點的實現(xiàn)可以是 veth pair、Open vSwitch 內(nèi)部端口或者相似的設備

? 網(wǎng)絡：一個網(wǎng)絡是一組可以直接互相聯(lián)通的端點。一個網(wǎng)絡可以包含多個端點，網(wǎng)絡的實現(xiàn)可以是Linux bridge、VLAN 等

bridge 模式

bridge 是默認的網(wǎng)絡模式，為容器創(chuàng)建獨立的網(wǎng)絡命名空間，容器具有獨立的網(wǎng)卡等所有的網(wǎng)絡棧。使用該模式的所有容器都是連接到 docker0 這個網(wǎng)橋，作為虛擬交換機使容器可以相互通信，但是由于宿主機的 IP 地址與容器 veth pair 的 IP 地址不在同一個網(wǎng)段，所以為了和宿主機以外的網(wǎng)絡通信， Docker 采用了端口綁定的方式，也就是通過 iptables 的 NAT，將宿主機上的端口流量轉發(fā)到容器。

bridge 模式已經(jīng)可以滿足 Docker 容器最基本的使用需求了，但是其與外界通信時使用 NAT，增加了通信的復雜性，在復雜場景下使用會有限制。

$ docker network inspect bridge

# 輸出如下 (節(jié)選部分信息)
[
    {
        "Name": "bridge",
        "Scope": "local",
        "Driver": "bridge",
        "EnableIPv6": false,
        "IPAM": {
            "Driver": "default",
            "Options": null,
            "Config": [
                {
                    "Subnet": "172.17.0.0/16",
                    "Gateway": "172.17.0.1"
                }
            ]
        },
        "Containers": {
            # 使用 bridge 網(wǎng)絡的容器列表
        },
    }
]

通過上面的輸出可以看到，虛擬網(wǎng)橋的 IP 地址就是 bridge 網(wǎng)絡類型的網(wǎng)關地址。

我們可以從輸出的 Containers 容器列表中找一個容器，查看其網(wǎng)絡類型和配置：

$ docker inspect 容器ID

# 輸出如下 (節(jié)選部分信息)
[
  ...
  
  "NetworkSettings": {
    "Bridge": "",
    "Gateway": "172.17.0.1",
    "IPAddress": "172.17.0.4",
    "Networks": {
        "bridge": {
            "Gateway": "172.17.0.1",
            "IPAddress": "172.17.0.4",
        }
    }

  ...
]

通過上面的輸出可以看到，虛擬網(wǎng)橋的 IP 地址就是 bridge 網(wǎng)絡類型的容器的網(wǎng)關地址。

實現(xiàn)機制

在 iptables 做了 DNAT 規(guī)則，實現(xiàn)端口轉發(fā)功能:

# iptables 配置查看
$ iptables -t nat -vnL

# 輸出如下
Chain PREROUTING (policy ACCEPT 37M packets, 2210M bytes)

...

0     0 DNAT       tcp  --  !docker0 *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            tcp dpt:8080 to:172.17.0.4:80

當容器需要將端口映射到宿主機時，Docker 會自動為該容器分配一個 IP 地址，同時新增一個 iptables 規(guī)則。

host 模式

容器不會獲得一個獨立的網(wǎng)絡命名空間，而是和宿主機共用一個。容器不會虛擬出自己的網(wǎng)卡，配置自己的IP等，而是直接使用宿宿主機的。但是容器的其他方面，如文件系統(tǒng)、進程列表等還是和宿宿主機隔離的，容器對外界是完全開放的，能夠訪問到宿主機，就能訪問到容器。

host 模式降低了容器與容器之間、容器與宿主機之間網(wǎng)絡層面的隔離性，雖然有性能上的優(yōu)勢，但是引發(fā)了網(wǎng)絡資源的競爭與沖突，因此適用于容器集群規(guī)模較小的場景。

啟動一個網(wǎng)絡類型為 host 的 Nginx 容器：

$ docker run -d --net host nginx

Unable to find image 'nginx:latest' locally
latest: Pulling from library/nginx
...
f202870092fc40bc08a607dddbb2770df9bb4534475b066f45ea35252d6e76e2

查看網(wǎng)絡類型為 host 的容器列表：

$ docker network inspect host

# 輸出如下 (節(jié)選部分信息)
[
    {
        "Name": "host",
        "Scope": "local",
        "Driver": "host",
        "Internal": false,
        "Attachable": false,
        "Ingress": false,
        "ConfigFrom": {
            "Network": ""
        },
        "Containers": {
           # 使用 host 網(wǎng)絡的容器列表  
           "f202870092fc40bc08a607dddbb2770df9bb4534475b066f45ea35252d6e76e2": {
                "Name": "frosty_napier",
                "EndpointID": "7306a8e4103faf4edd081182f015fa9aa985baf3560f4a49b9045c00dc603190",
                "MacAddress": "",
                "IPv4Address": "",
                "IPv6Address": ""
            }        
        },
    }
]

查看 Nginx 容器網(wǎng)絡類型和配置：

$ docker inspect f202870092fc4

# 輸出如下 (節(jié)選部分信息)
[
  ...
  
  "NetworkSettings": {
    "Bridge": "",
    "Gateway": "",
    "IPAddress": "",
    "Networks": {
        "host": {
            "Gateway": "",
            "IPAddress": "",
        }
    }
  ...
]

通過上面的輸出可以看到，Nginx 容器使用的網(wǎng)絡類型是 host，沒有獨立的 IP。

查看 Nginx 容器 IP 地址：

# 進入容器內(nèi)部 shell

$ docker exec -it f202870092fc4 /bin/bash

# 安裝 ip 命令

$ apt update && apt install -y iproute2

# 查看 IP 地址
$ ip a

# 輸出如下
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    ...
2: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default
    ...
10: eth0@if11: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    ...
    
# 退出容器，查看宿主機 IP 地址
$ exit
$ ip a

# 輸出如下
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    ...
2: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default
    ...
10: eth0@if11: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    ...

通過上面的輸出可以看到，Nginx 容器內(nèi)部并沒有獨立的 IP，而是使用了宿主機的 IP。

查看宿主機的端口監(jiān)聽狀態(tài)：

$ sudo netstat -ntpl

# 輸出如下
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name
tcp        0      0 0.0.0.0:80              0.0.0.0:*               LISTEN      1378/nginx: master
tcp6       0      0 :::80                   :::*                    LISTEN      1378/nginx: master

通過上面的輸出可以看到，監(jiān)聽 80 端口的進程為 nginx, 而不是 docker-proxy。

none 模式

容器擁有自己的 Network Namespace，但是并不進行任何網(wǎng)絡配置。也就意味著該容器沒有網(wǎng)卡、IP、路由等信息，需要手動為容器添加網(wǎng)卡、配置 IP 等， none 模式下的容器會完全隔離，容器中只有 lo 這個 loopback（回環(huán)網(wǎng)絡）網(wǎng)卡用于進程通信。

none 模式為容器做了最少的網(wǎng)絡設置，在沒有網(wǎng)絡配置的情況下，通過自定義配置容器的網(wǎng)絡，提供了最高的靈活性。

啟動一個網(wǎng)絡類型為 host 的 Nginx 容器：

$ docker run -d --net none nginx

Unable to find image 'nginx:latest' locally
latest: Pulling from library/nginx
...
d2d0606b7d2429c224e61e06c348019b74cd47f0b8c85347a7cdb8f1e30dcf86

查看網(wǎng)絡類型為 none 的容器列表：

$ docker network inspect none

# 輸出如下 (節(jié)選部分信息)
[
    {
        "Name": "none",
        "Scope": "local",
        "Driver": "null",
        "Internal": false,
        "Attachable": false,
        "Ingress": false,
        "ConfigFrom": {
            "Network": ""
        },
        "Containers": {
           # 使用 none 網(wǎng)絡的容器列表  
           "d2d0606b7d2429c224e61e06c348019b74cd47f0b8c85347a7cdb8f1e30dcf86": {
                "Name": "hardcore_chebyshev",
                "EndpointID": "b8ff645671518e608f403818a31b1db34d7fce66af60373346ea3ab673a4c6b2",
                "MacAddress": "",
                "IPv4Address": "",
                "IPv6Address": ""
            }        
        },
    }
]

查看 Nginx 容器網(wǎng)絡類型和配置：

$ docker inspect d2d0606b7d242

# 輸出如下 (節(jié)選部分信息)
[
  ...
  
  "NetworkSettings": {
    "Bridge": "",
    "Gateway": "",
    "IPAddress": "",
    "Networks": {
        "none": {
            "Gateway": "",
            "IPAddress": "",
        }
    }
  ...
]

通過上面的輸出可以看到，Nginx 容器使用的網(wǎng)絡類型是 none，沒有獨立的 IP。

查看 Nginx 容器 IP 地址：

# 進入容器內(nèi)部 shell

$ docker exec -it d2d0606b7d242 /bin/bash

# 訪問公網(wǎng)鏈接

$ curl -I "https://www.docker.com"

curl: (6) Could not resolve host: www.docker.com

# 為什么會報錯呢？ 這是因為當前容器沒有網(wǎng)卡、IP、路由等信息，是完全獨立的運行環(huán)境，所以沒有辦法訪問公網(wǎng)鏈接。

# 查看 IP 地址
$ hostname -I

# 沒有任何輸出，該容器沒有 IP 地址

查看宿主機的端口監(jiān)聽狀態(tài)：

$ docker port d2d0606b7d242

或者

$ sudo netstat -ntpl | grep :80

# 沒有任何輸出，Nginx 進程運行在容器中，端口沒有映射到宿主機

container 模式

與 host 模式類似，容器與指定的容器共享網(wǎng)絡命名空間。這兩個容器之間不存在網(wǎng)絡隔離，但它們與宿主機以及其他的容器存在網(wǎng)絡隔離。該模式下的容器可以通過 localhost 來訪問同一網(wǎng)絡命名空間下的其他容器，傳輸效率較高，且節(jié)約了一定的網(wǎng)絡資源。在一些特殊的場景中非常有用，例如 k8s 的 Pod。

其他模式

出于篇幅考慮，這里不再贅述其他網(wǎng)絡模式，感興趣的讀者可以根據(jù)文章末尾的引用連接自行閱讀。

網(wǎng)絡驅(qū)動概述

? 當需要多個容器在同一臺宿主機上進行通信時，使用 bridge
? 當網(wǎng)絡棧不應該與宿主機隔離，但是希望容器的其他方面被隔離時，使用 host
? 當需要在不同宿主機上運行的容器進行通信時，使用 overlay
? 當從虛擬機遷移或需要使容器看起來像物理宿主機時，使用 Macvlan, 每個容器都有一個唯一的 MAC 地址
? 當需要將 Docker 與專門的網(wǎng)絡棧集成，使用 Third-party

Docker 和 iptables

如果在公網(wǎng)可以訪問的服務器運行 Docker，需要對應的 iptables 規(guī)則來限制訪問主機上的容器或其他服務。

在 Docker 規(guī)則之前添加 iptables 規(guī)則

Docker 安裝了兩個名為 DOCKER-USER 和 DOCKER 的自定義 iptables 鏈，確保傳入的數(shù)據(jù)包始終先由這兩個鏈進行檢查。

# 可以通過該命令查看

$ iptables -L -n -v | grep -i docker

Docker 的所有 iptables 規(guī)則都被添加到 Docker 鏈中，不要手動修改此鏈 (可能會引發(fā)問題)。如果需要添加在一些在 Docker 之前加載的規(guī)則，將它們添加到 DOCKER-USER 鏈中，這些規(guī)則應用于 Docker 自動創(chuàng)建的所有規(guī)則之前。

添加到 FORWARD 鏈中的規(guī)則在這些鏈之后進行檢測，這意味著如果通過 Docker 公開一個端口，那么無論防火墻配置了什么規(guī)則，該端口都會被公開。如果想讓這些規(guī)則在通過 Docker 暴露端口時仍然適用，必須將這些規(guī)則添加到 DOCKER-USER 鏈中。

限制到 Docker 主機的連接

默認情況下，允許所有外部 IP 連接 Docker 主機，為了只允許特定的 IP 或網(wǎng)絡訪問容器，在 DOCKER-USER 過濾器鏈的頂部插入一個規(guī)則。

例如，只允許 192.168.1.1 訪問:

# 假設輸入接口為 eth0
$ iptables -I DOCKER-USER -i eth0 ! -s 192.168.1.1 -j DROP

也可以允許來自源子網(wǎng)的連接，例如，允許 192.168.1.0/24 子網(wǎng)的用戶訪問:

# 假設輸入接口為 eth0
$ iptables -I DOCKER-USER -i eth0 ! -s 192.168.1.0/24 -j DROP

阻止 Docker 操作 iptables

在 Docker 引擎的配置文件 /etc/docker/daemon.json 設置 iptables 的值為 false，但是最好不要修改，因為這很可能破壞 Docker 引擎的容器網(wǎng)絡。

為容器設置默認綁定地址

默認情況下，Docker 守護進程將公開 0.0.0.0 地址上的端口，即主機上的任何地址。如果希望將該行為更改為僅公開內(nèi)部 IP 地址上的端口，則可以使用 --ip 選項指定不同的IP地址。

集成到防火墻

如果運行的是 Docker 20.10.0 或更高版本，在系統(tǒng)上啟用了 iptables, Docker 會自動創(chuàng)建一個名為 docker 的防火墻區(qū)域，并將它創(chuàng)建的所有網(wǎng)絡接口 (例如 docker0 ) 加入到 docker 區(qū)域，以允許無縫組網(wǎng)。

運行命令將 docker 接口從防火墻區(qū)域中移除:

firewall-cmd --znotallow=trusted --remove-interface=docker0 --permanent
firewall-cmd --reload

Reference

? Networking overview[1]

? Networking tutorials[2]

? Docker and iptables[3]

? 容器Docker詳解[4]

? Introduction to Container Networking[5]

? docker 容器網(wǎng)絡方案：calico 網(wǎng)絡模型[6]

? Docker——容器與容器云[7]

引用鏈接

[1]? Networking overview: ??https://docs.docker.com/network/[2]??? Networking tutorials: ??https://docs.docker.com/network/network-tutorial-standalone/[3]??? Docker and iptables: ??https://docs.docker.com/network/iptables/??

[4]? 容器Docker詳解: ??https://juejin.cn/post/6844903766601236487??

[5]? Introduction to Container Networking: ??https://www.suse.com/c/rancher_blog/introduction-to-container-networking/??

[6]? docker 容器網(wǎng)絡方案：calico 網(wǎng)絡模型: ??https://cizixs.com/2017/10/19/docker-calico-network/??

[7] Docker——容器與容器云: https://book.douban.com/subject/26894736/

責任編輯：武曉燕來源：洋芋編程

Docker 網(wǎng)絡命名空間

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