文章目录

  • 1 虚拟化网络
  • 2 单节点容器间通信
  • 3 不同节点容器间通信
  • 4 Docker容器网络
  • 5 Docker的四种网络模式
    • 5.1 host模式
    • 5.2 container模式
    • 5.3 none模式
    • 5.4 bridge模式

1 虚拟化网络

  • 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。

    • 主机名和域名的叫：UTS
    • 用户的叫：USER
    • 挂载文件系统的：Mount
    • 进程间通信的：IPC
    • 进程ID的：Pid
    • 网络的：Net

  • 网络作为docker容器化实现的6个名称空间的其中之一，是必不可少的。其在Linux内核2.6时已经被加载进内核支持了。

  • 网络名称空间主要用于实现网络设备和协议栈的隔离

  • Linux内核支持二层和三层设备的模拟，宿主机的docker0就是用软件来实现的具有交换功能的虚拟二层设备，docker中的网卡设备是成对出现的，好比网线的两头，一头处于docker中，另外一头在docker0桥上，这个使用brctl工具就能实现。

  • 如上图所示，假如我们的物理机有4块物理网卡，我们要创建4个名称空间，而这些设备是可以单独关联至某个单独的名称空间使用的，把第一块网卡分配给第一个名称空间，第二块分给第二个名称空间，第三块分给第三个名称空间，第四块分给第四个名称空间。此时其它名称空间都是看不见当前所在名称空间的，因为一个设备只能属于一个名称空间。

  • 这种方式使得每一个名称空间都能配置IP地址，并且与外部网络直接通信，因为它们使用的是物理网卡。

  • 但如果我们所拥有的名称空间数量超过物理网卡数量呢？此时我们可以使用虚拟网卡设备，用纯软件的方式来模拟一组设备来使用。Linux内核级支持2种级别设备的模拟，一种是二层设备，一种是三层设备。

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。

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。

Linux内核原生支持二层虚拟网桥设备，即用软件虚拟交换机的功能。如下图所示

  • 那么此时如果再有一个名称空间，它有创建了一对虚拟网卡，一端连接名称空间，一端连接虚拟交换机，此时就相当于两个名称空间连接到了同一个交换机网络中，此时如果两个名称空间的网卡地址配置在同一网段，那么很显然他们之间是可以互相通信的。如下图所示：

    从网络通信的物理设备到网卡都是用纯软件的方式来实现，这种实现方式就叫做虚拟化网络

2 单节点容器间通信

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。

这就是单节点上两个容器间的通信方式。单节点上两个容器之间的通信也有一些复杂情况，比如我们期望构建的容器要跨交换机通信呢

我们做两个虚拟交换机，两个交换机上各自连接不同的容器，如上图所示，此时如果要C1和C3通信又该如何实现呢？其实我们可以通过名称空间创建一对网卡，一端连SW1，另一端连SW2，这样一来两个交换机就连起来了，照理说这样一来C1和C3这两个处于不同交换机的容器就可以实现通信了，但是这样一来又存在另一个问题，那就是如果C1和C3在不同网络呢？如果不在同一网络我们就必须要通过路由转发才能使其通信，也就是我们得在两台交换机之间加一个路由器，其实Linux内核本身就是支持路由转发的，只需要我们将路由转发功能打开即可。此时我们可以再启动一个容器，这个容器里面就跑一个内核，并将其转发功能打开，这样一来就模拟了一台路由器，通过这台路由器来实现路由转发。

3 不同节点容器间通信


如上图所示，此时如果C1要与C5进行通信又该如何实现呢？如果我们采用桥接的方式，很容易产生广播风暴，因此，在大规模的虚拟机或容器的场景中，使用桥接的方式无疑是自取灭亡，所以我们不应该使用桥接的方式来实现通信。

如此一来，我们既不能桥接，又需要与外部来实现通信就需要使用以下几种方法

  • 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


Overlay Network会将报文进行隧道转发，也就是在报文发出去之前要为其添加一个IP首部，也就是上图的1.1和1.2这部分，这里的1.1是源，1.2是目标，当宿主机2收到报文后解封装发现要找的目标容器是C2，于是把包转发给C2。

4 Docker容器网络

Docker在安装后自动提供3种网络，可以使用docker network ls命令查看

[root@Docker ~]# docker network ls
NETWORK ID     NAME      DRIVER    SCOPE
ee8d79d4ac78   bridge    bridge    local
f07e7613bacb   host      host      local
d951c3cc12d5   none      null      local

Docker使用Linux桥接，在宿主机虚拟一个Docker容器网桥(docker0)，Docker启动一个容器时会根据Docker网桥的网段分配给容器一个IP地址，称为Container-IP，同时Docker网桥是每个容器的默认网关。因为在同一宿主机内的容器都接入同一个网桥，这样容器之间就能够通过容器的Container-IP直接通信。

5 Docker的四种网络模式

网络模式 配置 说明
host –network host 容器和宿主机共享Network namespace
container –network container:NAME_OR_ID 容器和另外一个容器共享Network namespace
none –network none 容器有独立的Network namespace， 但并没有对其进行任何网络设置， 如分配veth pair 和网桥连接，配置IP等
bridge –network bridge 默认模式

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）

  • Closed container：只有loop接口，就是none类型

  • Bridged container A：bridge网络类型，容器网络接入到docker0网络上

  • joined container A：container网络类型，让两个容器有一部分名称空间隔离（User、Mount、Pid），这样两个容器间就拥有同一个网络接口，网络协议栈

  • Open container：开放式网络：直接共享物理机的三个名称空间（UTS、IPC、Net），世界使用物理主机的网卡通信，赋予容器管理物理主机网络的特权，也就是host网络类型

5.1 host模式

  • Host 模式并没有为容器创建一个隔离的网络环境。而之所以称之为host模式，是因为该模式下的 Docker 容器会和 host 宿主机共享同一个网络 namespace，故 Docker Container可以和宿主机一样，使用宿主机的eth0，实现和外界的通信。换言之，Docker Container的 IP 地址即为宿主机 eth0 的 IP 地址。其特点包括：

    • 这种模式下的容器没有隔离的 network namespace
    • 容器的 IP 地址同 Docker host 的 IP 地址
    • 需要注意容器中服务的端口号不能与 Docker host 上已经使用的端口号相冲突
    • host 模式能够和其它模式共存
  • 使用host模式的容器可以直接使用宿主机的IP地址与外界通信，容器内部的服务端口也可以使用宿主机的端口，不需要进行NAT，host最大的优势就是网络性能比较好，但是docker host上已经使用的端口就不能再用了，网络的隔离性不好
//示例
[root@Docker ~]# docker images
REPOSITORY        TAG       IMAGE ID       CREATED        SIZE
zhaojie10/nginx   v1.20.2   6f5b02e61ad4   18 hours ago   549MB
centos            latest    5d0da3dc9764   2 months ago   231MB
[root@Docker ~]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00inet 127.0.0.1/8 scope host lovalid_lft forever preferred_lft foreverinet6 ::1/128 scope host valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000link/ether 00:0c:29:1b:44:be brd ff:ff:ff:ff:ff:ffinet 192.168.25.148/24 brd 192.168.25.255 scope global dynamic noprefixroute ens33valid_lft 1163sec preferred_lft 1163secinet6 fe80::2e0f:34ad:7328:bbf9/64 scope link noprefixroute valid_lft forever preferred_lft forever
3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default link/ether 02:42:30:6d:78:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ffinet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0valid_lft forever preferred_lft forever[root@Docker ~]# docker run -it --network host --rm --name nginx 6f5b02e61ad4 /bin/sh
sh-4.4# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00inet 127.0.0.1/8 scope host lovalid_lft forever preferred_lft foreverinet6 ::1/128 scope host valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000link/ether 00:0c:29:1b:44:be brd ff:ff:ff:ff:ff:ffinet 192.168.25.148/24 brd 192.168.25.255 scope global dynamic noprefixroute ens33valid_lft 1796sec preferred_lft 1796secinet6 fe80::2e0f:34ad:7328:bbf9/64 scope link noprefixroute valid_lft forever preferred_lft forever
3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default link/ether 02:42:30:6d:78:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ffinet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0valid_lft forever preferred_lft forever

5.2 container模式

  • 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。
  • Container 网络模式是 Docker 中一种较为特别的网络的模式。处于这个模式下的 Docker 容器会共享其他容器的网络环境，因此，至少这两个容器之间不存在网络隔离，而这两个容器又与宿主机以及除此之外其他的容器存在网络隔离。

//示例
[root@Docker ~]# docker images
REPOSITORY        TAG       IMAGE ID       CREATED        SIZE
zhaojie10/nginx   v1.20.2   6f5b02e61ad4   18 hours ago   549MB
centos            latest    5d0da3dc9764   2 months ago   231MB[root@Docker ~]# docker run -it --rm --name nginx 6f5b02e61ad4 /bin/sh
sh-4.4# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00inet 127.0.0.1/8 scope host lovalid_lft forever preferred_lft forever
4: eth0@if5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default link/ether 02:42:ac:11:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0valid_lft forever preferred_lft forever[root@Docker ~]# docker ps        #重新打开一个新的终端
CONTAINER ID   IMAGE          COMMAND     CREATED          STATUS          PORTS     NAMES
d964b9adf5fe   6f5b02e61ad4   "/bin/sh"   39 seconds ago   Up 37 seconds             nginx[root@Docker ~]# docker run -it --rm --name centos --network  container:d964b9adf5fe 5d0da3dc9764        #创建新容器指定网络使用container模式[root@d964b9adf5fe /]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00inet 127.0.0.1/8 scope host lovalid_lft forever preferred_lft forever
4: eth0@if5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default link/ether 02:42:ac:11:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0valid_lft forever preferred_lft forever

5.3 none模式

使用none模式，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。

这种网络模式下容器只有lo回环网络，没有其他网卡。none模式可以在容器创建时通过–network none来指定。这种类型的网络没有办法联网，封闭的网络能很好的保证容器的安全性。

应用场景：

  • 启动一个容器处理数据，比如转换数据格式
  • 一些后台的计算和处理任务
//示例
[root@Docker ~]# docker images
REPOSITORY        TAG       IMAGE ID       CREATED        SIZE
zhaojie10/nginx   v1.20.2   6f5b02e61ad4   19 hours ago   549MB
centos            latest    5d0da3dc9764   2 months ago   231MB[root@Docker ~]# docker run -it --rm --name nginx --network none 6f5b02e61ad4 /bin/bash
[root@2c3fe7cd5a0b /]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00inet 127.0.0.1/8 scope host lovalid_lft forever preferred_lft forever

5.4 bridge模式

  • bridge模式是docker的默认网络模式，不写–network参数，就是bridge模式。使用docker run -p时，docker实际是在iptables做了DNAT规则，实现端口转发功能。可以使用iptables -t nat -vnL查看。

  • 当Docker进程启动时，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。

  • 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。在主机上创建一对虚拟网卡veth pair设备，Docker将veth pair设备的一端放在新创建的容器中，并命名为eth0（容器的网卡），另一端放在主机中，以vethxxx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。

bridge模式如下图所示

Docker网桥是宿主机虚拟出来的，并不是真实存在的网络设备，外部网络是无法寻址到的，这也意味着外部网络无法通过直接Container-IP访问到容器。如果容器希望外部访问能够访问到，可以通过映射容器端口到宿主主机（端口映射），即docker run创建容器时候通过 -p 或 -P 参数来启用，访问容器的时候就通过[宿主机IP]:[容器端口]访问容器。

//示例
[root@Docker ~]# docker images
REPOSITORY        TAG       IMAGE ID       CREATED        SIZE
zhaojie10/nginx   v1.20.2   6f5b02e61ad4   19 hours ago   549MB
centos            latest    5d0da3dc9764   2 months ago   231MB[root@Docker ~]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00inet 127.0.0.1/8 scope host lovalid_lft forever preferred_lft foreverinet6 ::1/128 scope host valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000link/ether 00:0c:29:1b:44:be brd ff:ff:ff:ff:ff:ffinet 192.168.25.148/24 brd 192.168.25.255 scope global dynamic noprefixroute ens33valid_lft 1309sec preferred_lft 1309secinet6 fe80::2e0f:34ad:7328:bbf9/64 scope link noprefixroute valid_lft forever preferred_lft forever
3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default link/ether 02:42:30:6d:78:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ffinet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0valid_lft forever preferred_lft foreverinet6 fe80::42:30ff:fe6d:7803/64 scope link valid_lft forever preferred_lft forever[root@Docker ~]# docker run -it --rm --name nginx  6f5b02e61ad4 /bin/bash        #我这里是没有指定网络类型默认就是使用的bridge模式
[root@a65e5aa2362c /]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00inet 127.0.0.1/8 scope host lovalid_lft forever preferred_lft forever
6: eth0@if7: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default link/ether 02:42:ac:11:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0valid_lft forever preferred_lft forever[root@Docker ~]# docker run -it --rm --name centos -p 8080:80 5d0da3dc9764
[root@2ddc151d2030 /]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00inet 127.0.0.1/8 scope host lovalid_lft forever preferred_lft forever
10: eth0@if11: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default link/ether 02:42:ac:11:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0inet 172.17.0.3/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0valid_lft forever preferred_lft forever[root@Docker ~]# ss -antl
State   Recv-Q  Send-Q     Local Address:Port     Peer Address:Port  Process
LISTEN  0       128              0.0.0.0:8080          0.0.0.0:*
LISTEN  0       128              0.0.0.0:22            0.0.0.0:*
LISTEN  0       128                 [::]:8080             [::]:*
LISTEN  0       128                 [::]:22               [::]:*      [root@Docker ~]# iptables -t nat -vnL
......
Chain DOCKER (2 references)pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination         0     0 RETURN     all  --  docker0 *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0           0     0 DNAT       tcp  --  !docker0 *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            tcp dpt:8080 to:172.17.0.3:80[root@Docker ~]# docker network inspect bridge        #查看bridge网络的详细配置
[{"Name": "bridge","Id": "ee8d79d4ac782949ebfcd7c19baa710bcfa7587c662a82b97a772463b5ba3590","Created": "2021-12-03T04:03:23.448080844-05:00","Scope": "local","Driver": "bridge","EnableIPv6": false,"IPAM": {"Driver": "default","Options": null,"Config": [{"Subnet": "172.17.0.0/16","Gateway": "172.17.0.1"}]},"Internal": false,"Attachable": false,"Ingress": false,"ConfigFrom": {"Network": ""},"ConfigOnly": false,"Containers": {"2ddc151d20308ee1a6f41ea2811e18708503596924db8c5185bd3f6f020b8afe": {"Name": "centos","EndpointID": "0f82b0f327236a5f4a763de8c653a0b6bb971d0b0deb12f67e9b24261d78c07e","MacAddress": "02:42:ac:11:00:03","IPv4Address": "172.17.0.3/16","IPv6Address": ""},"a65e5aa2362cb6cf2b22d1fd756855832057b27061a0a3f769cfd5903d8dd506": {"Name": "nginx","EndpointID": "7899c74a02bfc07866268ea3b4a49d2d7984b3eff1e9f62c1ac1c0303de71c87","MacAddress": "02:42:ac:11:00:02","IPv4Address": "172.17.0.2/16","IPv6Address": ""}},"Options": {"com.docker.network.bridge.default_bridge": "true","com.docker.network.bridge.enable_icc": "true","com.docker.network.bridge.enable_ip_masquerade": "true","com.docker.network.bridge.host_binding_ipv4": "0.0.0.0","com.docker.network.bridge.name": "docker0","com.docker.network.driver.mtu": "1500"},"Labels": {}}
][root@Docker ~]# yum -y install epel-release
[root@Docker ~]# yum install bridge-utils
[root@Docker ~]# brctl show
bridge name bridge id       STP enabled interfaces
docker0     8000.0242306d7803   no      veth3c0bcb5veth5a42188

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