五张图带你搞懂容器网络的工作原理

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现在是时候解决容器网络问题了。或者更准确地说,单主机容器网络问题。

 五张图带你搞懂容器网络的工作原理

使用容器总是感觉像使用魔法一样。对于那些理解底层原理的人来说容器很好用,但是对于不理解的人来说就是个噩梦。很幸运的是,我们已经研究容器技术很久了,甚至成功揭秘容器只是隔离并受限的 Linux 进程,运行容器并不需要镜像,以及另一个方面,构建镜像需要运行一些容器。

现在是时候解决容器网络问题了。或者更准确地说,单主机容器网络问题。本文会回答这些问题:

  •  如何虚拟化网络资源,让容器认为自己拥有独占网络?
  •  如何让容器们和平共处,之间不会互相干扰,并且能够互相通信?
  •  从容器内部如何访问外部世界(比如,互联网)?
  •  从外部世界如何访问某台机器上的容器呢(比如,端口发布)?

最终结果很明显,单主机容器网络是已知的 Linux 功能的简单组合:

  •  网络命名空间(namespace)
  •  虚拟 Ethernet设备(veth)
  •  虚拟网络交换机(网桥)
  •  IP路由和网络地址翻译(NAT)

并且不需要任何代码就可以让这样的网络魔法发生……

前提条件

任意 Linux 发行版都可以。本文的所有例子都是在 vagrant CentOS 8 的虚拟机上执行的:

  1. $ vagrant init centos/8   
  2. $ vagrant up   
  3. $ vagrant ssh   
  4. [vagrant@localhost ~]$ uname -a   
  5. Linux localhost.localdomain 4.18.0-147.3.1.el8_1.x86_64 

为了简单起见,本文使用容器化解决方案(比如,Docker 或者 Podman)。我们会重点介绍基本概念,并使用最简单的工具来达到学习目标。

network 命名空间隔离容器

Linux 网络栈包括哪些部分?显然,是一系列网络设备。还有别的吗?可能还包括一系列的路由规则。并且不要忘记,netfilter hook,包括由iptables规则定义的。

我们可以快速创建一个并不复杂的脚本 inspect-net-stack.sh:

  1. #!/usr/bin/env bash   
  2. echo  "> Network devices"   
  3. ip link   
  4. echo -e "\n> Route table"   
  5. ip route   
  6. echo -e "\n> Iptables rules"   
  7. iptables --list-rules 

在运行脚本前,让我们修改下 iptable rule:

  1. $ sudo iptables -N ROOT_NS 

这之后,在机器上执行上面的脚本,输出如下:

  1. $ sudo ./inspect-net-stack.sh   
  2.     > Network devices   
  3.     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  
  4.     2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP mode DEFAULT group default qlen 1000 link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff   
  5.     > Route table   
  6.     default via 10.0.2.2 dev eth0 proto dhcp metric 100   
  7.     10.0.2.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.2.15 metric 100   
  8.     > Iptables rules   
  9.     -P INPUT ACCEPT   
  10.     -P FORWARD ACCEPT   
  11.     -P OUTPUT ACCEPT   
  12.     -N ROOT_NS 

我们对这些输出感兴趣,因为要确保即将创建的每个容器都有各自独立的网络栈。

你可能已经知道了,用于容器隔离的一个 Linux 命名空间是网络命名空间(network namespace)。从 man ip-netns 可以看到,“网络命名空间是网络栈逻辑上的另一个副本,它有自己的路由,防火墙规则和网络设备。”为了简化起见,这是本文使用的唯一的命名空间。我们并没有创建完全隔离的容器,而是将范围限制在网络栈上。

创建网络命名空间的一种方法是 ip 工具,它是 iproute2 的一部分:

  1. $ sudo ip netns add netns0   
  2. $ ip netns   
  3. netns0 

如何使用刚才创建的命名空间呢?一个很好用的命令 nsenter。进入一个或多个特定的命名空间,然后执行指定的脚本:

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 bash  
  2.      # 新建的 bash 进程在 netns0 里  
  3.  $ sudo ./inspect-net-stack.sh   
  4.     > Network devices 1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000  
  5.     link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00   
  6.     > Route table   
  7.     > Iptables rules   
  8.     -P INPUT ACCEPT   
  9.     -P FORWARD ACCEPT   
  10.     -P OUTPUT ACCEPT 

从上面的输出可以清楚地看到 bash 进程运行在 netns0 命名空间,这时看到的是完全不同的网络栈。这里没有路由规则,没有自定义的 iptables chain,只有一个 loopback 的网络设备。

五张图带你搞懂容器网络的工作原理

使用虚拟的 Ethernet 设备(veth)将容器连接到主机上

如果我们无法和某个专有的网络栈通信,那么它看上去就没什么用。幸运的是,Linux 提供了好用的工具——虚拟 Ethernet设备。从 man veth 可以看到,“veth 设备是虚拟 Ethernet 设备。他们可以作为网络命名空间之间的通道(tunnel),从而创建连接到另一个命名空间里的物理网络设备的桥梁,但是也可以作为独立的网络设备使用。”

虚拟 Ethernet 设备通常都成对出现。不用担心,先看一下创建的脚本:

  1. $ sudo ip link add veth0 type veth peer name ceth0 

用这条简单的命令,我们就可以创建一对互联的虚拟 Ethernet 设备。默认选择了 veth0 和 ceth0 这两个名称。

  1. $ ip link   
  2. 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000   
  3.  link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00   
  4. 2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP mode DEFAULT group default qlen 1000  
  5.   link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff   
  6. 5: ceth0@veth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000   
  7.   link/ether 66:2d:24:e3:49:3f brd ff:ff:ff:ff:ff:ff   
  8. 6: veth0@ceth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000   
  9.  link/ether 96:e8:de:1d:22:e0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff 

创建的 veth0 和 ceth0 都在主机的网络栈(也称为 root 网络命名空间)上。将 netns0 命名空间连接到 root 命名空间,需要将一个设备留在 root 命名空间,另一个挪到 netns0 里:

  1. $ sudo ip link set ceth0 netns netns0   
  2.     # 列出所有设备,可以看到 ceth0 已经从 root 栈里消失了   
  3.    $ ip link 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000   
  4.     link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00   
  5.    2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP mode DEFAULT group default qlen 1000   
  6.    link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff   
  7.    6: veth0@if5: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000   
  8.     link/ether 96:e8:de:1d:22:e0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netns netns0 

一旦启用设备并且分配了合适的 IP 地址,其中一个设备上产生的包会立刻出现在其配对设备里,从而连接起两个命名空间。从 root 命名空间开始:

  1. $ sudo ip link set veth0 up   
  2. $ sudo ip addr add 172.18.0.11/16 dev veth0 

然后是 netns0:

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
  2. $ ip link set lo up   
  3. $ ip link set ceth0 up   
  4. $ ip addr add 172.18.0.10/16 dev ceth0   
  5. $ ip link   
  6. 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000   
  7.  link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00  
  8.  5: ceth0@if6: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000   
  9.  link/ether 66:2d:24:e3:49:3f brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0 

五张图带你搞懂容器网络的工作原理

检查连通性:

  1. # 在 netns0 里 ping root 的 veth0   
  2.  $ ping -c 2 172.18.0.11   
  3.  PING 172.18.0.11 (172.18.0.11) 56(84) bytes of data.  
  4.  64 bytes from 172.18.0.11: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.038 ms   
  5.  64 bytes from 172.18.0.11: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.040 ms   
  6.  --- 172.18.0.11 ping statistics ---   
  7.  2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 58ms   
  8.  rtt min/avg/max/mdev = 0.038/0.039/0.040/0.001 ms   
  9.  # 离开 netns0  
  10.  $ exit    
  11.  # 在root命名空间里ping ceth0   
  12.  $ ping -c 2 172.18.0.10   
  13.  PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data.   
  14.  64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.073 ms   
  15.  64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.046 ms   
  16.  --- 172.18.0.10 ping statistics ---   
  17.  2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 3ms   
  18.  rtt min/avg/max/mdev = 0.046/0.059/0.073/0.015 ms 

同时,如果尝试从 netns0 命名空间访问其他地址,它是不可以成功的:

  1. # 在 root 命名空间   
  2.    $ ip addr show dev eth0   
  3.    2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000   
  4.     link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff   
  5.     inet 10.0.2.15/24 brd 10.0.2.255 scope global dynamic noprefixroute eth0   
  6.   valid_lft 84057sec preferred_lft 84057sec  
  7.     inet6 fe80::5054:ff:fee3:2777/64 scope link   
  8.      valid_lft forever preferred_lft forever   
  9.     # 记住这里 IP 是 10.0.2.15  
  10.    $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
  11.    # 尝试ping主机的eth0   
  12.    $ ping 10.0.2.15   
  13.    connect: Network is unreachable   
  14.    # 尝试连接外网  
  15.    $ ping 8.8.8.8   
  16.    connect: Network is unreachable 

这也很好理解。在 netns0 路由表里没有这类包的路由。唯一的 entry 是如何到达 172.18.0.0/16 网络:

  1. # 在netns0命名空间:   
  2.     $ ip route   
  3.     172.18.0.0/16 dev ceth0 proto kernel scope link src 172.18.0.10 

Linux 有好几种方式建立路由表。其中一种是直接从网络接口上提取路由。记住,命名空间创建后, netns0 里的路由表是空的。但是随后我们添加了 ceth0 设备并且分配了IP地址 172.18.0.0/16。因为我们使用的不是简单的 IP 地址,而是地址和子网掩码的组合,网络栈可以从其中提取出路由信息。目的地是 172.18.0.0/16 的每个网络包都会通过 ceth0 设备。但是其他包会被丢弃。类似的,root 命名空间也有了个新的路由:

  1. # 在root命名空间:   
  2.     $ ip route   
  3.     # ... 忽略无关行 ...   
  4.     172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11 

这里,就可以回答第一个问题了。我们了解了如何隔离,虚拟化并且连接Linux网络栈。

使用虚拟网络 switch(网桥)连接容器

容器化思想的驱动力是高效的资源共享。所以,一台机器上只运行一个容器并不常见。相反,最终目标是尽可能地在共享的环境上运行更多的隔离进程。因此,如果按照上述 veth 方案,在同一台主机上放置多个容器的话会发生什么呢?让我们尝试添加第二个容器。

  1. # 从 root 命名空间   
  2.     $ sudo ip netns add netns1   
  3.     $ sudo ip link add veth1 type veth peer name ceth1   
  4.     $ sudo ip link set ceth1 netns netns1   
  5.     $ sudo ip link set veth1 up   
  6.     $ sudo ip addr add 172.18.0.21/16 dev veth1   
  7.     $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1   
  8.     $ ip link set lo up   
  9.     $ ip link set ceth1 up   
  10.     $ ip addr add 172.18.0.20/16 dev ceth1 

检查连通性:

  1. # 从 netns1 无法连通 root 命名空间!   
  2.     $ ping -c 2 172.18.0.21   
  3.     PING 172.18.0.21 (172.18.0.21) 56(84) bytes of data.   
  4.     From 172.18.0.20 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable   
  5.     From 172.18.0.20 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable   
  6.     --- 172.18.0.21 ping statistics ---   
  7.     2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 55ms pipe 2   
  8.     # 但是路由是存在的!   
  9.     $ ip route   
  10.     172.18.0.0/16 dev ceth1 proto kernel scope link src 172.18.0.20   
  11.     # 离开 netns1  
  12.     $ exit    
  13.     # 从 root 命名空间无法连通 netns1   
  14.     $ ping -c 2 172.18.0.20   
  15.     PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data.   
  16.     From 172.18.0.11 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable   
  17.     From 172.18.0.11 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable   
  18. --- 172.18.0.20 ping statistics ---   
  19. 2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 23ms pipe 2   
  20.     # 从netns0可以连通 veth1   
  21.     $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
  22.     $ ping -c 2 172.18.0.21   
  23.     PING 172.18.0.21 (172.18.0.21) 56(84) bytes of data.   
  24.     64 bytes from 172.18.0.21: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.037 ms   
  25.     64 bytes from 172.18.0.21: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.046 ms   
  26.     --- 172.18.0.21 ping statistics ---   
  27.     2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 33ms   
  28.     rtt min/avg/max/mdev = 0.037/0.041/0.046/0.007 ms   
  29.     # 但是仍然无法连通 netns1   
  30.     $ ping -c 2 172.18.0.20   
  31.     PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data. 
  32.     From 172.18.0.10 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable   
  33.     From 172.18.0.10 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable   
  34.     --- 172.18.0.20 ping statistics ---   
  35.     2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 63ms pipe 2 

晕!有地方出错了……netns1 有问题。它无法连接到 root,并且从 root 命名空间里也无法访问到它。但是,因为两个容器都在相同的 IP 网段 172.18.0.0/16 里,从 netns0 容器可以访问到主机的 veth1。

这里花了些时间来找到原因,不过很明显遇到的是路由问题。先查一下 root 命名空间的路由表:

  1. $ ip route   
  2.     # ... 忽略无关行... #   
  3.     172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11   
  4.     172.18.0.0/16 dev veth1 proto kernel scope link src 172.18.0.21 

在添加了第二个 veth 对之后,root 的网络栈知道了新路由 172.18.0.0/16 dev veth1 proto kernel scope link src 172.18.0.21,但是之前已经存在该网络的路由了。当第二个容器尝试 ping veth1 时,选中的是第一个路由规则,这导致网络无法连通。如果我们删除第一个路由 sudo ip route delete 172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11,然后重新检查连通性,应该就没有问题了。netns1 可以连通,但是 netns0 就不行了。

五张图带你搞懂容器网络的工作原理

如果我们为 netns1 选择其他的网段,应该就都可以连通。但是,多个容器在同一个 IP 网段上应该是合理的使用场景。因此,我们需要调整 veth 方案。

别忘了还有 Linux 网桥——另一种虚拟化网络技术!Linux 网桥作用类似于网络 switch。它会在连接到其上的接口间转发网络包。并且因为它是 switch,它是在 L2 层完成这些转发的。

试试这个工具。但是首先,需要清除已有设置,因为之前的一些配置现在不再需要了。删除网络命名空间:

  1. $ sudo ip netns delete netns0   
  2. $ sudo ip netns delete netns1   
  3. $ sudo ip link delete veth0   
  4. $ sudo ip link delete ceth0   
  5. $ sudo ip link delete veth1   
  6. $ sudo ip link delete ceth1 

快速重建两个容器。注意,我们没有给新的veth0和veth1设备分配任何IP地址:

  1. $ sudo ip netns add netns0   
  2. $ sudo ip link add veth0 type veth peer name ceth0   
  3. $ sudo ip link set veth0 up   
  4. $ sudo ip link set ceth0 netns netns0   
  5. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
  6. $ ip link set lo up   
  7. $ ip link set ceth0 up   
  8. $ ip addr add 172.18.0.10/16 dev ceth0   
  9. $ exit   
  10. $ sudo ip netns add netns1   
  11. $ sudo ip link add veth1 type veth peer name ceth1  
  12. $ sudo ip link set veth1 up   
  13. $ sudo ip link set ceth1 netns netns1   
  14. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1   
  15. $ ip link set lo up   
  16. $ ip link set ceth1 up   
  17. $ ip addr add 172.18.0.20/16 dev ceth1  
  18. $ exit 

确保主机上没有新的路由:

  1. $ ip route   
  2. default via 10.0.2.2 dev eth0 proto dhcp metric 100   
  3. 10.0.2.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.2.15 metric 100 

最后创建网桥接口:

  1. $ sudo ip link add br0 type bridge   
  2. $ sudo ip link set br0 up 

将veth0和veth1接到网桥上:

  1. $ sudo ip link set veth0 master br0   
  2. $ sudo ip link set veth1 master br0 

五张图带你搞懂容器网络的工作原理

检查容器间的连通性:

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
  2. $ ping -c 2 172.18.0.20   
  3. PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data.  
  4. 64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.259 ms   
  5. 64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.051 ms   
  6. --- 172.18.0.20 ping statistics ---   
  7. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 2ms   
  8. rtt min/avg/max/mdev = 0.051/0.155/0.259/0.104 ms  
  9. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1   
  10. $ ping -c 2 172.18.0.10   
  11. PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data.   
  12. 64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.037 ms  
  13. 64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.089 ms   
  14. --- 172.18.0.10 ping statistics ---   
  15. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 36ms   
  16. rtt min/avg/max/mdev = 0.037/0.063/0.089/0.026 ms 

太好了!工作得很好。用这种新方案,我们根本不需要配置 veth0 和 veth1。只需要在 ceth0 和 ceth1 端点分配两个 IP 地址。但是因为它们都连接在相同的 Ethernet上(记住,它们连接到虚拟 switch上),之间在 L2 层是连通的:

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
  2. $ ip neigh   
  3. 172.18.0.20 dev ceth0 lladdr 6e:9c:ae:02:60:de STALE   
  4. $ exit   
  5. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1   
  6. $ ip neigh   
  7. 172.18.0.10 dev ceth1 lladdr 66:f3:8c:75:09:29 STALE   
  8. $ exit 

太好了,我们学习了如何将容器变成友邻,让它们互不干扰,但是又可以连通。

连接外部世界( IP 路由和地址伪装(masquerading))

容器间可以通信。但是它们能和主机,比如root命名空间,通信吗?

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
  2. $ ping 10.0.2.15 # eth0 address   
  3. connect: Network is unreachable 

这里很明显,netns0 没有路由:

  1. $ ip route   
  2. 172.18.0.0/16 dev ceth0 proto kernel scope link src 172.18.0.10 

root 命名空间不能和容器通信:

  1. # 首先使用 exit 离开netns0:   
  2. $ ping -c 2 172.18.0.10   
  3. PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data.   
  4. From 213.51.1.123 icmp_seq=1 Destination Net Unreachable   
  5. From 213.51.1.123 icmp_seq=2 Destination Net Unreachable   
  6. --- 172.18.0.10 ping statistics ---   
  7. 2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 3ms   
  8. $ ping -c 2 172.18.0.20   
  9. PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data.   
  10. From 213.51.1.123 icmp_seq=1 Destination Net Unreachable   
  11. From 213.51.1.123 icmp_seq=2 Destination Net Unreachable   
  12. --- 172.18.0.20 ping statistics ---   
  13. 2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 3ms 

要建立 root 和容器命名空间的连通性,我们需要给网桥网络接口分配 IP 地址:

  1. $ sudo ip addr add 172.18.0.1/16 dev br0 

一旦给网桥网络接口分配了 IP 地址,在主机的路由表里就会多一条路由:

  1. $ ip route   
  2. # ...忽略无关行 ...   
  3. 172.18.0.0/16 dev br0 proto kernel scope link src 172.18.0.1   
  4. $ ping -c 2 172.18.0.10   
  5. PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data.   
  6. 64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.036 ms   
  7. 64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.049 ms   
  8. --- 172.18.0.10 ping statistics ---   
  9. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 11ms   
  10. rtt min/avg/max/mdev = 0.036/0.042/0.049/0.009 ms   
  11. $ ping -c 2 172.18.0.20   
  12. PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data.   
  13. 64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.059 ms   
  14. 64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.056 ms   
  15. --- 172.18.0.20 ping statistics ---   
  16. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 4ms   
  17. rtt min/avg/max/mdev = 0.056/0.057/0.059/0.007 ms 

容器可能也可以 ping 网桥接口,但是它们还是无法连接到主机的 eth0。需要为容器添加默认的路由:

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
  2. $ ip route add default via 172.18.0.1   
  3. $ ping -c 2 10.0.2.15   
  4. PING 10.0.2.15 (10.0.2.15) 56(84) bytes of data.   
  5. 64 bytes from 10.0.2.15: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.036 ms   
  6. 64 bytes from 10.0.2.15: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.053 ms   
  7. --- 10.0.2.15 ping statistics ---   
  8. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 14ms   
  9. rtt min/avg/max/mdev = 0.036/0.044/0.053/0.010 ms  
  10.      # 为`netns1`也做上述配置 

这个改动基本上把主机变成了路由,并且网桥接口变成了容器间的默认网关。

五张图带你搞懂容器网络的工作原理

很好,我们将容器连接到 root 命名空间上。现在,继续尝试将它们连接到外部世界。Linux 上默认 disable 了网络包转发(比如,路由功能)。我们需要先启用这个功能:

  1. # 在 root 命名空间   
  2. sudo bash -c 'echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward' 

再次检查连通性:

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
  2. $ ping 8.8.8.8  
  3. # hung住了... 

还是不工作。哪里弄错了呢?如果容器可以向外部发包,那么目标服务器无法将包发回容器,因为容器的IP地址是私有的,那个特定 IP 的路由规则只有本地网络知道。并且有很多容器共享的是完全相同的私有IP地址 172.18.0.10。这个问题的解决方法称为网络地址翻译(NAT)。在到达外部网络之前,容器发出的包会将源IP地址替换为主机的外部网络地址。主机还会跟踪所有已有的映射,会在将包转发回容器之前恢复之前被替换的 IP 地址。听上去很复杂,但是有一个好消息!iptables 模块让我们只需要一条命令就可以完成这一切:

  1. $ sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 172.18.0.0/16 ! -o br0 -j MASQUERADE 

命令非常简单。在 nat 表里添加了一条 POSTROUTING chain 的新路由,会替换伪装所有源于 172.18.0.0/16 网络的包,但是不通过网桥接口。

检查连通性:

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
  2. $ ping -c 2 8.8.8.8 PING 8.8.8.8 (8.8.8.8) 56(84) bytes of data.   
  3. 64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=61 time=43.2 ms   
  4. 64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=2 ttl=61 time=36.8 ms   
  5. --- 8.8.8.8 ping statistics ---   
  6. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 2ms   
  7. rtt min/avg/max/mdev = 36.815/40.008/43.202/3.199 ms 

要知道这里我们用的默认策略——允许所有流量,这在真实的环境里是非常危险的。主机的默认 iptables 策略是ACCEPT:

  1. sudo iptables -S   
  2. -P INPUT ACCEPT   
  3. -P FORWARD ACCEPT   
  4. -P OUTPUT ACCEPT 

Docker 默认限制所有流量,随后仅仅为已知的路径启用路由。

如下是在 CentOS 8 机器上,单个容器暴露了端口 5005 时,由 Docker daemon 生成的规则:

  1. $ sudo iptables -t filter --list-rules   
  2. -P INPUT ACCEPT   
  3. -P FORWARD DROP   
  4. -P OUTPUT ACCEPT   
  5. -N DOCKER   
  6. -N DOCKER-ISOLATION-STAGE-1   
  7. -N DOCKER-ISOLATION-STAGE-2   
  8. -N DOCKER-USER   
  9. -A FORWARD -j DOCKER-USER   
  10. -A FORWARD -j DOCKER-ISOLATION-STAGE-1   
  11. -A FORWARD -o docker0 -m conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT  
  12. -A FORWARD -o docker0 -j DOCKER   
  13. -A FORWARD -i docker0 ! -o docker0 -j ACCEPT   
  14. -A FORWARD -i docker0 -o docker0 -j ACCEPT   
  15. -A DOCKER -d 172.17.0.2/32 ! -i docker0 -o docker0 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j ACCEPT   
  16. -A DOCKER-ISOLATION-STAGE-1 -i docker0 ! -o docker0 -j DOCKER-ISOLATION-STAGE-2   
  17. -A DOCKER-ISOLATION-STAGE-1 -j RETURN   
  18. -A DOCKER-ISOLATION-STAGE-2 -o docker0 -j DROP   
  19. -A DOCKER-ISOLATION-STAGE-2 -j RETURN   
  20. -A DOCKER-USER -j RETURN   
  21. $ sudo iptables -t nat --list-rules   
  22. -P PREROUTING ACCEPT   
  23. -P INPUT ACCEPT   
  24. -P POSTROUTING ACCEPT   
  25. -P OUTPUT ACCEPT   
  26. -N DOCKER   
  27. -A PREROUTING -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER   
  28. -A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o docker0 -j MASQUERADE   
  29. -A POSTROUTING -s 172.17.0.2/32 -d 172.17.0.2/32 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j MASQUERADE  
  30. -A OUTPUT ! -d 127.0.0.0/8 -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER   
  31. -A DOCKER -i docker0 -j RETURN   
  32. -A DOCKER ! -i docker0 -p tcp -m tcp --dport 5005 -j DNAT --to-destination 172.17.0.2:5000   
  33. $ sudo iptables -t mangle --list-rules   
  34. -P PREROUTING ACCEPT   
  35. -P INPUT ACCEPT   
  36. -P FORWARD ACCEPT   
  37. -P OUTPUT ACCEPT  
  38.  -P POSTROUTING ACCEPT   
  39. $ sudo iptables -t raw --list-rules   
  40. -P PREROUTING ACCEPT   
  41. -P OUTPUT ACCEPT 

让外部世界可以访问容器(端口发布)

大家都知道可以将容器端口发布给一些(或者所有)主机的接口。但是端口发布到底是什么意思呢?

假设容器内运行着服务器:

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
  2. $ python3 -m http.server --bind 172.18.0.10 5000 

如果我们试着从主机上发送一个HTTP请求到这个服务器,一切都工作得很好(root命名空间和所有容器接口之间有链接,当然可以连接成功):

  1. # 从 root 命名空间   
  2. $ curl 172.18.0.10:5000   
  3. <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"  "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">   
  4. # ... 忽略无关行 ... 

但是,如果要从外部访问这个服务器,应该使用哪个IP呢?我们知道的唯一 IP 是主机的外部接口地址 eth0:

  1. $ curl 10.0.2.15:5000   
  2. curl: (7) Failed to connect to 10.0.2.15 port 5000: Connection refused 

因此,我们需要找到方法,能够将到达主机 eth0 5000端口的所有包转发到目的地 172.18.0.10:5000。又是i ptables来帮忙!

  1. # 外部流量    
  2.     sudo iptables -t nat -A PREROUTING -d 10.0.2.15 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j DNAT --to-destination 172.18.0.10:5000   
  3.     # 本地流量 (因为它没有通过 PREROUTING chain)   
  4.     sudo iptables -t nat -A OUTPUT -d 10.0.2.15 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j DNAT --to-destination 172.18.0.10:5000 

另外,需要让iptables能够在桥接网络上截获流量:

  1. sudo modprobe br_netfilter 

测试:

  1. curl 10.0.2.15:5000   
  2. <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"  "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">  
  3.       # ... 忽略无关行 ... 

理解 Docker 网络驱动

我们可以怎么使用这些知识呢?比如,可以试着理解 Docke r网络模式[1]。

从 --network host 模式开始。试着比较一下命令 ip link 和 sudo docker run -it --rm --network host alpine ip link 的输出。它们几乎一样!在 host 模式下,Docker 简单地没有使用网络命名空间隔离,容器就在 root 网络命名空间里工作,并且和主机共享网络栈。

下一个模式是--network none。sudo docker run -it --rm --network host alpine ip link 的输出只有一个  loopback 网络接口。这和之前创建的网络命名空间,没有添加 veth 设备前很相似。

最后是 --network bridge(默认)模式。这正是我们前文尝试创建的模式。大家可以试试ip 和iptables命令,分别从主机和容器的角度观察一下网络栈。

rootless 容器和网络

Podman 容器管理器的一个很好的特性是关注于 rootless 容器。但是,你可能注意到,本文使用了很多 sudo 命令。说明,没有 root 权限无法配置网络。Podman 在 root 网络上的方案[2] 和Docker非常相似。但是在 rootless 容器上,Podman 使用了  slirp4netns[3] 项目:

从 Linux 3.8 开始,非特权用户可以创建 user_namespaces(7) 的同时创建 network_namespaces(7)。但是,非特权网络命名空间并不是很有用,因为在主机和网络命名空间之间创建 veth(4) 仍然需要root权限

slirp4netns 可以用完全非特权的方式将网络命名空间连接到 Internet 上,通过网络命名空间里的一个TAP设备连接到用户态的TCP/IP栈(slirp)。

rootless 网络是很有限的:“从技术上说,容器本身没有 IP 地址,因为没有 root 权限,无法实现网络设备的关联。另外,从 rootless 容器 ping 是不会工作的,因为它缺少 CAP_NET_RAW 安全能力,而这是 ping 命令必需的。”但是它仍然比完全没有连接要好。

结论

本文介绍的组织容器网络的方案仅仅是可能方案的一种(可能是最为广泛使用的一种)。还有很多别的方式,由官方或者第三方插件实现,但是所有这些方案都严重依赖于 Linux 网络虚拟化技术[4]。因此,容器化可以认为是一种虚拟化技术。

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/k9DhpXHmvA9M1eib_R-zIA