Docker 網絡原理概述

概述

Docker 原生網絡是基於 Linux 的 網絡命名空間（net namespace）和 虛擬網絡設備（veth pair）實現的。當 Docker 進程啓動時，會在宿主機上創建一個名稱爲 docker0 的 虛擬網橋，在該宿主機上啓動的 Docker 容器會連接到這個虛擬網橋上。

$ 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橋連接在一個二層網絡中。

從 docker0 子網中分配一個 IP 給容器使用，並設置 docker0 的 IP 地址爲容器的默認網關。在宿主機上創建一對虛擬網卡 veth pair 設備， Docker 將 veth pair 設備的一端放在新創建的容器中，並命名爲 eth0（容器的網卡），另一端放在宿主機中，以 vethxxx 類似的名字命名，並將這個網絡設備連接到 docker0 網橋中。

Docker 會自動配置 iptables 規則和配置 NAT，便於連通宿主機上的 docker0 網橋，完成這些操作之後，容器就可以使用它的 eth0 虛擬網卡，來連接其他容器和訪問外部網絡。

Docker 中的網絡接口默認都是虛擬的接口，Linux 在內核中通過 數據複製 實現接口之間的數據傳輸，可以充分發揮數據在不同 Docker 容器或容器與宿主機之間的轉發效率，發送接口發送緩存中的數據包，將直接複製到接收接口的緩存中，無需通過物理網絡設備進行交換。

# 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/

虛擬網橋 docker0 通過 iptables 配置與宿主機器上的網卡相連，符合條件的請求都會通過 iptables 轉發到 docker0, 然後分發給對應的容器。

# 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

網絡驅動

Docker 的網絡子系統支持插拔式的驅動程序，默認存在多個驅動程序，並提供核心網絡功能。

jOG5bT

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

沙盒：一個沙盒包含了一個容器網絡棧的信息。一個沙盒可以有多個端點和多個網絡，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絡。一個端點只屬於一個網絡和一個沙盒，端點的實現可以是 veth pair、Open vSwitch 內部端口或者相似的設備
網絡：一個網絡是一組可以直接互相聯通的端點。一個網絡可以包含多個端點，網絡的實現可以是 Linux bridge、VLAN 等

bridge 模式

bridge 是默認的網絡模式，爲容器創建獨立的網絡命名空間，容器具有獨立的網卡等所有的網絡棧。使用該模式的所有容器都是連接到 docker0 這個網橋，作爲 虛擬交換機 使容器可以相互通信，但是由於宿主機的 IP 地址與容器 veth pair 的 IP 地址不在同一個網段，所以爲了和宿主機以外的網絡通信， Docker 採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到容器。

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

$ docker network inspect bridge

# 輸出如下 (節選部分信息)
[
    {
        "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 網絡的容器列表
        },
    }
]

通過上面的輸出可以看到，虛擬網橋的 IP 地址就是 bridge 網絡類型的網關地址。

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

$ docker inspect 容器ID

# 輸出如下 (節選部分信息)
[
  ...
  
  "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，虛擬網橋的 IP 地址就是 bridge 網絡類型的容器的網關地址。

實現機制

在 iptables 做了 DNAT 規則，實現端口轉發功能:

# 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 會自動爲該容器分配一個 IP 地址，同時新增一個 iptables 規則。

host 模式

容器不會獲得一個獨立的網絡命名空間，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、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絡層面的隔離性，雖然有性能上的優勢，但是引發了網絡資源的競爭與衝突，因此適用於容器集羣規模較小的場景。

啓動一個網絡類型爲 host 的 Nginx 容器：

$ docker run -d --net host nginx

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

查看網絡類型爲 host 的容器列表：

$ docker network inspect host

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

查看 Nginx 容器網絡類型和配置：

$ docker inspect f202870092fc4

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

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

查看 Nginx 容器 IP 地址：

# 進入容器內部 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 容器內部並沒有獨立的 IP，而是使用了宿主機的 IP。

查看宿主機的端口監聽狀態：

$ 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，監聽 80 端口的進程爲 nginx, 而不是 docker-proxy。

none 模式

容器擁有自己的 Network Namespace，但是並不進行任何網絡配置。也就意味着該容器沒有網卡、IP、路由等信息，需要手動爲容器添加網卡、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（迴環網絡）網卡用於進程通信。

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

啓動一個網絡類型爲 host 的 Nginx 容器：

$ docker run -d --net none nginx

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

查看網絡類型爲 none 的容器列表：

$ docker network inspect none

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

查看 Nginx 容器網絡類型和配置：

$ docker inspect d2d0606b7d242

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

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

查看 Nginx 容器 IP 地址：

# 進入容器內部 shell

$ docker exec -it d2d0606b7d242 /bin/bash

# 訪問公網鏈接

$ curl -I "https://www.docker.com"

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

# 爲什麼會報錯呢？ 這是因爲當前容器沒有網卡、IP、路由等信息，是完全獨立的運行環境，所以沒有辦法訪問公網鏈接。

# 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聽狀態：

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

其他模式

出於篇幅考慮，這裏不再贅述其他網絡模式，感興趣的讀者可以根據文章末尾的引用連接自行閱讀。

網絡驅動概述

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 與專門的網絡棧集成，使用 Third-party

Docker 和 iptables

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

在 Docker 規則之前添加 iptables 規則

Docker 安裝了兩個名爲 DOCKER-USER 和 DOCKER 的自定義 iptables 鏈，確保傳入的數據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 規則都被添加到 Docker 鏈中，不要手動修改此鏈 (可能會引發問題)。如果需要添加在一些在 Docker 之前加載的規則，將它們添加到 DOCKER-USER 鏈中，這些規則應用於 Docker 自動創建的所有規則之前。

添加到 FORWARD 鏈中的規則在這些鏈之後進行檢測，這意味着如果通過 Docker 公開一個端口，那麼無論防火牆配置了什麼規則，該端口都會被公開。如果想讓這些規則在通過 Docker 暴露端口時仍然適用，必須將這些規則添加到 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，爲了只允許特定的 IP 或網絡訪問容器，在 DOCKER-USER 過濾器鏈的頂部插入一個規則。

例如，只允許 192.168.1.1 訪問:

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

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

# 假設輸入接口爲 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 的值爲 false，但是最好不要修改，因爲這很可能破壞 Docker 引擎的容器網絡。

爲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。如果希望將該行爲更改爲僅公開內部 IP 地址上的端口，則可以使用 --ip 選項指定不同的 IP 地址。

集成到防火牆

如果運行的是 Docker 20.10.0 或更高版本，在系統上啓用了 iptables, Docker 會自動創建一個名爲 docker 的防火牆區域，並將它創建的所有網絡接口 (例如 docker0) 加入到 docker 區域，以允許無縫組網。

運行命令將 docker 接口從防火牆區域中移除:

firewall-cmd --zone=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 容器網絡方案：calico 網絡模型 [6]
Docker——容器與容器雲 [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 容器網絡方案：calico 網絡模型: https://cizixs.com/2017/10/19/docker-calico-network/
[7] Docker——容器與容器雲: https://book.douban.com/subject/26894736/

本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/U6cnU6ReOyUL62qY995Hkw

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