虚拟化网络的原理简述

Linux内核支持六种名称空间，只要在用户空间有相应的客户端工具，都可以对对应的名称空间进行操作。

假如物理机有四块网卡，可以创建两个名称空间，此时可灵活将网卡分配到单独的名称空间中。

一般一个设备只能属于一个名称空间，如此每个名称空间都可以配置IP地址，并且和外部通信。

假如名称空间数量超过物理网卡数量，而名称空间中的进程必须通过物理网卡对外通信，如何处理？可以使用虚拟网卡设备，使用纯软件的方式模拟出网卡设备。

在Linux内核级别，支持两种模拟：二层设备和三层设备。

二层设备(链路层)

链路层，实现报文转发的设备。

利用内核对二层设备的模拟，创建虚拟网卡接口，这种网络接口是成对出现的，模拟为一根网线的两头。其中一头插在主机上，另一头插在交换机上。

内核原生支持二层虚拟网桥设备，用软件来构建交换机。比如bridge-utils工具的brctl来实现。

利用软件交换机和软件实现的名称空间，如此就可模拟一个主机连接到交换机中，以实现网络连接的功能。两个名称空间相当于连接到同一台交换机中的两台主机。

以上就是虚拟化网络，是网络虚拟化技术的一种简单实现。

三层设备(软件交换机)

OVS：Open VSwitch 开源的虚拟交换机，能模拟实现高级的三层网络设备如VLAN，VxLAN，GRE等等，它不属于Linux内核本身的模块，因此需要额外安装。它是由思科等众多网络设备生产公司开发的，其功能非常强大。

SDN：软件定义网络/软件驱动网络，需要在硬件层面上支持虚拟化网络，还需要在每个主机上构建复杂的虚拟化网络，来运行多个虚拟机或者容器。

容器间通信

如果在同一个host上的两个namespace需要通信，可以在host上建立虚拟交换机，使用纯软件的方式建立一对网卡，一半在容器上，一半在交换机上。此时只要容器配置同子网的IP地址，即可通信。

如果存在多个交换机，比如两个软件交换机，各自连接不同的容器。比如：

可以创建一对网卡，一半在SW1上，一半在容器中。（docker的默认网络模型就是这个）

如果希望C1仅仅和C3通信，则需要在交换机中间添加路由器，而路由器是三层设备，可以在Linux内核的模块来单独来支持，比如第三个容器（中的内核）来实现报文转发。

如果希望跨主机通信，比如C1和C5通信，如何实现？

方式有：

桥接：

把host的物理网卡当做交换机使用，各个容器都有自己的虚拟网卡/mac地址，如果需要和本host通信，则将目的mac指向host的虚拟网卡即可。如此可以让C1和C5通信。

然而这种方式的代价很大，如果都是桥接则所有容器/主机都在同一网络平面上，非常容易产生风暴，隔离性很差。

因此，在大规模的虚拟化或者容器的场景中，不能选用这种方式。除非使用大二层的网络技术将其隔离，否则，都不应该直接桥接。
NAT

如果希望对外通信，则应该使用nat技术而不是桥接。

如果C3和C5通信，C3将网关指向了S1，物理机上打开核心转发功能。报文：C3 -> S1 ->(路由表，转发) -> 外部网络。但是报文无法回来，因为C3是私有地址。因此，在C3的报文离开主机前，将IP转换为S1主机上的IP地址，这就是源地址转换。

如此C5可直接回复给S1。而S1内部的nat表可知道，该报文实际上是属于C3的，因此会自动转发给C3。

上述通信必须经过nat实现，而且两级的nat代理。因为C5可能也是nat内部。因此S1并看不到C5，除非将C5 DNAT发布出去。

因此，比如将C5发布到S2的地址和端口，由S2自动将其请求转换到C5中。

经过SNAT和DNAT转换，效率不高。而且通信的双方并看不到真正的对方。其好处是，网络易于管理。
叠加网络Overlay Network

这种网络方式不用完全暴露主机，也不用完全隐藏主机。其方式如下：
- 多个host，创建虚拟桥，让VM连接到虚拟桥上。
- 在虚拟桥上创建隧道，让C3直接看到C5
- 物理机可直接通信，C3和C5在同一个地址段内。C3先将报文送给桥，而桥知道C5并不在本地，于是将报文通过物理网卡发出去：在使用隧道转发出去前，报文C3|C5再封装一层IP首部：H1|H2
- H2拆开第一层封装，看到C3|C5，于是将报文转发给C5.
上述实现两级的三层封装，使用一个IP承载另一个IP，这就是隧道技术。如此C3和C5就可以直接通信。

模拟容器间通信

使用ip命令，可以在一台主机中构建出一个网络名称空间，并且可模拟容器间通信。

root@eto:~# ip netns help
Usage: ip netns listip netns add NAMEip netns set NAME NETNSIDip [-all] netns delete [NAME]ip netns identify [PID]ip netns pids NAMEip [-all] netns exec [NAME] cmd ...ip netns monitorip netns list-id

通过这种方式只有网络名称空间是隔离的，而其他名称空间都是共享的。和容器略有不同。

创建名称空间

root@eto:~# ip netns add r1
root@eto:~# ip netns add r2
root@eto:~# ip netns list
r2
r1

创建对应的虚拟网卡对，然后分配到名称空间中

root@eto:~# ip link add name veth1.1 type veth peer name veth1.2
root@eto:~# ip link show
...
9: veth1.2@veth1.1: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000link/ether 6a:f0:ef:a0:76:80 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
10: veth1.1@veth1.2: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000

# 把veth1.2分配到r1中去
root@eto:~# ip link set dev veth1.2 netns r1
root@eto:~# ip a s
...
10: veth1.1@if9: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000link/ether 0e:33:73:c9:73:fc brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0root@eto:~# ip netns exec r1 ifconfig -a
lo: flags=8<LOOPBACK>  mtu 65536loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0veth1.2: flags=4098<BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500ether 6a:f0:ef:a0:76:80  txqueuelen 1000  (Ethernet)RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

修改网卡名称，设置IP地址并激活

root@eto:~# ip netns exec r1 ip link set dev veth1.2 name eth0
root@eto:~# ip netns exec r1 ifconfig eth0 10.1.0.2/24 up
root@eto:~# ifconfig veth1.1 10.1.0.1/24 up
root@eto:~# ping 10.1.0.2
PING 10.1.0.2 (10.1.0.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.1.0.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.054 ms
64 bytes from 10.1.0.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.036 ms

此时两张网卡可通信，有宿主机 -> r1

将另一半网卡挪到r2，并激活

root@eto:~# ip link set dev veth1.1 netns r2
root@eto:~# ip netns exec r2 ifconfig veth1.1 10.1.0.3/24 up
root@eto:~# ip netns exec r2 ping 10.1.0.2
PING 10.1.0.2 (10.1.0.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.1.0.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.037 ms
64 bytes from 10.1.0.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.034 ms

使用这种方式来测试网络通信模型，和虚拟机几乎无区别。可以模拟物理桥，仅主机和nat桥。

Docker的网络

Docker安装完成后，自动提供三种网络：

bridge
host
none

root@eto:~# docker network ls
NETWORK ID          NAME                DRIVER              SCOPE
fd3713beb21e        bridge              bridge              local
509f1fdd50fb        host                host                local
83fea3e78ba1        none                null                local

Bridge：本机上创建的软交换机，也可以当做网卡使用。当启动容器时，可自动让容器自动分配一对网卡，一半在容器上，一半在交换机上。比如：

# 启动容器
root@eto:~# docker run --name t1 -it jaywin/httpd:v0.1-1
/ # # 宿主机上，关联到docker0上的网卡设备，其中
root@eto:~# ip a s
...
4: docker0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default link/ether 02:42:72:ff:55:a2 brd ff:ff:ff:ff:ff:ffinet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0
...
6: veth2fadfaf@if5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue master docker0 state UP group default veth2fadfaf@if5 中的if5在容器中，另一端veth2fadfaf在宿主机中。它们连接到了docker0桥上。root@eto:~# brctl show
bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
docker0         8000.024272ff55a2       no              veth2fadfaf(宿主机的接口)

Docker0桥默认是一个nat桥，创建容器后会自动分配iptables规则：

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

只要从docker0桥的网段发出的报文，自动选择一个合适的源地址做SNAT（MASQUERADE）。如此同一个宿主机下的容器，都可以相互通信(属于docker0的二层网络)，并且容器可以和外部通信(实现了SNAT)。

如果有一个nginx容器，提供服务。另外一个容器也是连接到桥上来的，则可以直接当客户端来访问nginx。通过如下方式：

物理机上也能直接访问（可以看成是仅主机的桥）
如果是外部的物理机访问nginx，它是无法看到nginx容器，因为nat将容器隐藏在背后。此时需要使用dnat将nginx发布

因此，当使用默认的桥接网络时，只能通过dnat规则以便让外部的客户端访问该容器。

如果同一台主机拥有两个web容器，如何对外做dnat？毕竟只有一个80端口，如何能正常提供访问？如果使用默认的网络模型，并没有很好的解决方法。

如果使用overlay网络，则无需有上述的困扰，直接访问对应的web服务即可。关于overlay网络，暂不表述。

除了上述描述的方式，还有什么方法可以使得容器可以对外服务？比如：

让每个容器仅拥有user，mount，pid是隔离的，两个容器共享UTS，Net，IPC。如此，容器的文件系统，pid和用户是隔离的，而网络是同一组，同一个网络协议栈，同一个域名主机名。容器间的通信可直接通过lo实现。

共享的一般是和网络通信相关的资源。

也可以让容器直接使用物理名称空间。

如果容器仅使用none网络，则容器仅有lo，没有网卡，无网络通信功能

Docker网络模型

Docker创建容器时，使用选项–network来指定使用哪种网络模型。默认default为bridge （docker0）

查看网络的详细信息：

root@eto:~# docker network inspect bridge

Docker的网络名称空间和UTS，IPC是可以让容器共享的，因此可构建出隔离，桥接，nat等网络模型。

docker网络模型

四种网络模型：

封闭式容器
桥接式容器：容器包含虚拟网络设备，一半在docker0上，一半在名称空间中。默认情况下，容器是启动为桥接式的网络模型。
联盟式容器：容器a有自己的名称空间，容器b共享容器a的名称空间。可以让a和b的容器应用在本地通信
容器共享宿主机的名称空间

可以指定为封闭式容器：

root@eto:~# docker run --name t4 -it --network none --rm busybox:latest
/ # ifconfig -a
lo        Link encap:Local Loopback  inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0collisions:0 txqueuelen:1000 RX bytes:0 (0.0 B)  TX bytes:0 (0.0 B)

Bridge可以实现不同容器间通信，而主机名默认为容器id，可使用hostname设置或者run的时候指定hostname，从容器外注入主机名。

# 查看默认主机名
root@eto:~# docker run --name t4 -it --network bridge --rm busybox:latest hostname
3ccdfa0745a3# 注入主机名
root@eto:~# docker run --name t4 -it --network bridge -h t2.jaywin.com --rm busybox:latest
/ # hostname
t2.jaywin.com

也可以注入解析，默认情况下容器使用宿主机的DNS配置。

/ # cat /etc/hosts
127.0.0.1       localhost
::1     localhost ip6-localhost ip6-loopback
fe00::0 ip6-localnet
ff00::0 ip6-mcastprefix
ff02::1 ip6-allnodes
ff02::2 ip6-allrouters
172.17.0.2      t2.jaywin.com t2

可自定义DNS服务器

root@eto:~# docker run --name t4 -it --network bridge -h t2.jaywin.com --dns 114.114.114.114 --rm busybox:latest cat /etc/resolv.conf
search midea.com.cn
nameserver 114.114.114.114

定义搜索域

root@eto:~# docker run --name t4 -it --network bridge -h t2.jaywin.com --dns 114.114.114.114 --dns-search ilinux.io --rm busybox:latest cat /etc/resolv.conf
search ilinux.io
nameserver 114.114.114.114

添加hosts记录

root@eto:~# docker run --name t4 -it --network bridge -h t2.jaywin.com --dns 114.114.114.114 --dns-search ilinux.io --add-host www.jaywin.com:1.1.1.1 --rm busybox:latest cat /etc/hosts
127.0.0.1       localhost
::1     localhost ip6-localhost ip6-loopback
fe00::0 ip6-localnet
ff00::0 ip6-mcastprefix
ff02::1 ip6-allnodes
ff02::2 ip6-allrouters
1.1.1.1 www.jaywin.com
172.17.0.2      t2.jaywin.com t2

服务的暴露方式

使用-p选项进行服务暴露

动态端口暴露

root@eto:~# docker run --name w1 --rm -p 80 jaywin/httpd:v0.2root@eto:~# docker port w1
80/tcp -> 0.0.0.0:32768
# 暴露随机端口

实际上，通过DNAT规则将服务发布出去。

Chain DOCKER (2 references)
target     prot opt source               destination
RETURN     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0
DNAT       tcp  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            tcp dpt:32768 to:172.17.0.2:80
# 只要访问本机的32768端口，将DNAT到172.17.0.2:80
# 当删除容器时，nat规则也会一并移除

固定地址的动态端口暴露

root@eto:~# docker run --name w1 --rm -p 192.168.2.10::80 jaywin/httpd:v0.2root@eto:~# docker port w1
80/tcp -> 192.168.2.10:32768

固定端口暴露

# 将端口暴露在宿主机的指定端口：
root@eto:~# docker run --name w1 --rm -p 80:80 jaywin/httpd:v0.2root@eto:~# docker port w1
80/tcp -> 0.0.0.0:80

-p选项可以使用多次，以暴露多个端口。

暴露所有端口

-P选项或者–publish-all，将容器所有计划要暴露的端口全部映射至主机端口。

计划要暴露的端口需要使用–expose选项指定

# docker run -d -P --expose 2222 --expose 3333 --name web busybox:latest /bin/httpd -p 2222 -f

联盟式容器Joined containers

联盟式容器是指使用某个已存在容器的网络接口的容器，接口被联盟内各容器共享使用。因此，联盟式容器彼此间完全无隔离。

联盟式容器彼此间虽然共享同一个网络名词空间，但其他名称空间如User、Mount等还是隔离的

联盟式容器彼此间存在端口冲突的可能。因此，通常只会在多个容器上的程序需要程序loopback接口相互通信，或者对某个已存在的容器的网络属性进行监控时，才使用这种模式的网络模型

创建联盟式容器

root@eto:~# docker run --name b2 --rm --network container:w1 -it busybox:latest
/ # ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 02:42:AC:11:00:02  inet addr:172.17.0.2  Bcast:172.17.255.255  Mask:255.255.0.0UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1RX packets:16 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0collisions:0 txqueuelen:0 RX bytes:1256 (1.2 KiB)  TX bytes:0 (0.0 B)lo        Link encap:Local Loopback  inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0collisions:0 txqueuelen:1000 RX bytes:0 (0.0 B)  TX bytes:0 (0.0 B)# 此时b2和W1共享网络名称空间，而其他资源是隔离的。此时，b2可通过lo口访问w1的httpd服务。
# 如此相当于同一主机上的两个进程。/ # wget -O - -q 127.0.0.1
busybox http server

# 容器和宿主机的联盟式网络
root@eto:~# docker run --name b2 --rm --network host -it busybox:latest
/ # ifconfig
docker0   Link encap:Ethernet  HWaddr 02:42:72:FF:55:A2  inet addr:172.17.0.1  Bcast:172.17.255.255  Mask:255.255.0.0inet6 addr: fe80::42:72ff:feff:55a2/64 Scope:LinkUP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1RX packets:19 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0TX packets:38 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0collisions:0 txqueuelen:0 RX bytes:1289 (1.2 KiB)  TX bytes:3578 (3.4 KiB)

如此一来，将十分简便地部署应用，并利用宿主机的网络。

修改docker0上的网络信息

自定义docker0桥的网络属性信息：

root@eto:~# cat /etc/docker/daemon.json
{"exec-opts": ["native.cgrounpdriver=systemd"],"registry-mirrors": ["https://e2615hzs.mirror.aliyuncs.com"],"bip": "192.168.1.0/24"}# 核心选项bip，即bridge ip之意，用于指定docker0桥自身的IP地址
# 修改docker0的地址后，启动容器的地址也会随之改变。

dockerd默认监听在Unix Socket格式的地址：/var/run/docker.sock。如果使用TCP套接字，则修改配置文件选项为：

"hosts": ["tcp://0.0.0.0:2375","unix:///var/run/docker.sock"]

也可以向dockerd直接传递"-H | --host"选项。在ubuntu上，如果docker.service指定了-H fd，此处再设置hosts时会无法启动。此时可以将docker.service中的-H选项去掉即可。

此时客户端就可以通过-H，指定要连接的服务器地址：

root@eto:~# docker -H 192.168.2.10:2375 ps
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS              PORTS               NAMES

创建自定义桥设备

root@eto:~# docker network create -d bridge --subnet "192.168.100.0/24" --gateway "192.168.100.1" mybr0
eb582031756ecb64541e6c95dd23caf1ece1c5b87378438cf6661b250b887052
root@eto:~# docker network ls
NETWORK ID          NAME                DRIVER              SCOPE
f3f514b6596c        bridge              bridge              local
509f1fdd50fb        host                host                local
eb582031756e        mybr0               bridge              local
83fea3e78ba1        none                null                local

将容器和mybr0桥接

root@eto:~# docker run --name t4 -it --net mybr0 busybox
/ # ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 02:42:C0:A8:64:02  inet addr:192.168.100.2  Bcast:192.168.100.255  Mask:255.255.255.0UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1RX packets:12 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0collisions:0 txqueuelen:0 RX bytes:1032 (1.0 KiB)  TX bytes:0 (0.0 B)

再创建一个容器，桥接到docker0

root@eto:~# docker run --name b2 -it --rm busybox
/ # ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 02:42:AC:11:00:02  inet addr:172.17.0.2  Bcast:172.17.255.255  Mask:255.255.0.0UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1RX packets:8 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0collisions:0 txqueuelen:0 RX bytes:696 (696.0 B)  TX bytes:0 (0.0 B)

这两个容器可以相互通信，默认做nat地址转换，只需要宿主机打开forward转发，并清空此规则：

root@eto:~# iptables -F  DOCKER-ISOLATION-STAGE-1

此规则包含限制不同容器网络之间的访问的规则：

target     prot opt source               destination
DOCKER-ISOLATION-STAGE-2  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0
DOCKER-ISOLATION-STAGE-2  all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0
RETURN     all  --  0.0.0.0/0            0.0.0.0/0

如此就可以通信了：

/ # ping 192.168.100.2
PING 192.168.100.2 (192.168.100.2): 56 data bytes
ip64 bytes from 192.168.100.2: seq=125 ttl=63 time=0.133 ms
64 bytes from 192.168.100.2: seq=126 ttl=63 time=0.074 ms
64 bytes from 192.168.100.2: seq=127 ttl=63 time=0.168 ms

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