Docker的技术依赖于Linux内核的虚拟化技术的发展,Docker使用到的网络技术有Network Namespace、Veth设备对、Iptables/Netfilter、网桥、路由等。
接下来,我将以Docker容器网络实现的基础技术来分别阐述,在到真正的容器篇章节之前,能形成一个稳固的基础知识网。

 

Network Namespace

 

为了支持网络协议栈的多个实例,Linux在网络栈引入了Network Namespace,这些独立的协议栈被隔离到不同的Namespace中,处于不同Namespace中的网络栈是完全隔离的,彼此无法通信。
Linux的网络协议栈十分复杂,为了支持独立的协议栈,相关的全局变量都必须修改为协议栈私有。Linux实现Network Namespace的核心就是让这些全局变量称为Network Namespace变量的成员,然后为协议栈的函数调用加入一个Namespace参数。与此同时,为了保证已开发程序及内核代码的兼容性,内核代码隐式地使用了Namespace空间内的变量。应用程序如果没有对Namespace有特殊需求,那么不需要额外的代码,Network Namespace对应用程序而言是透明的。
在建立了新的Network Namespace,并将某个进程关联到这个网络命名空间后,就出现了如下的命名空间下的内核数据结构,所有网络栈变量都放入了Network Namespace的数据结构中,这个Network Namespace是属于它进程组私有的,与其他进程组不冲突。

Docker正是利用了Network Namespace特性,实现了不同容器之间的网络隔离。
如果一个容器声明使用宿主机的网络栈(-net = host),即不开启Network Namespace,例如:

docker run –d –net=host --name c_name i_name

这种情况下,这个容器启动之后监听的是宿主机的80端口。像这样直接使用宿主机网络栈的方式,虽然可以为容器提供良好的网络性能,但也不可避免的造成端口冲突等网络资源冲突的问题。
所以在一般情况下,我们都希望程序引入Network Namespace里的网络栈,即这个容器拥有自己的IP和端口。但是,这个时候也会带来一个新的问题,被隔离的容器进程,是怎么与其它被隔离的进程进行网络通信的?

 

Net Bridge

 

上文说到,Linux 可以支持不同的网络,他们之间是怎么支持够互相通信的呢?
如果是两台主机,那需要的可能只是一根网线,把它们连接在一台交换机上。而在Linux当中,网桥(Bridge)就起到相应的作用。本质上来说,这是一个数据链路层(data link)的设备,根据Mac地址的信息转发到网桥的不同端口上。而Docker就是在宿主机上默认创建一个docker0的网桥,凡是连接docker0的网桥,都可以用它来通信。

 

细述Bridge

 

网桥是一个二层的虚拟网络设备,把若干个网络接口“连接”起来,使得网口之间的报文可以转发。网桥能够解析收发的报文,读取目标的Mac地址信息,和自己的Mac地址表结合,来决策报文转发的目标网口。为了实现这些功能,网桥会学习源Mac地址。在转发报文时,网桥只需要向特定的端口转发,从而避免不必要的网络交互。如果它遇到了一个自己从未学过的地址,就无法知道这个报文应该向哪个网口转发,就将报文广播给除了报文来源之外的所有网口。
在实际网络中,网络拓扑不可能永久不变。如果设备移动到另一个端口上,而它没有发送任何数据,那么网桥设备就无法感知到这个变化,结果网桥还是向原来的端口发数据包,在这种情况下数据就会丢失。所以网桥还要对学习到的Mac地址表加上超时时间,默认5min。如果网桥收到了对应端口MAC地址回发的包。则重置超时时间,否则过了超时时间后,就认为哪个设备不在那个端口上了,他就会广播重发。
Linux为了支持越来越多的网卡以及虚拟设备,所以使用网桥去提供这些设备之间转发数据的二层设备。Linux内核支持网口的桥接(以太网接口),这与单纯的交换机还是不太一样,交换机仅仅是一个二层设备,对于接受到的报文,要么转发,要么丢弃。运行着Linux内核的机器本身就是一台主机,有可能是网络报文的目的地,其收到的报文要么转发,要么丢弃,还可能被送到网络协议的网络层,从而被自己主机本身的协议栈消化,所以我们可以把网桥看作一个二层设备,也可以看做是一个三层设备。

 

Linux中Bridge实现

 

Linux内核是通过一个虚拟的网桥设备(Net Device)来实现桥接的。这个虚拟设备可以绑定若干个以太网接口,从而将它们连接起来。Net Device网桥和普通的设备不同,最明显的是它还可以有一个ip地址。

如上图所示,网桥设备br0绑定的eth0和eth1。对于网络协议栈的上层来说,只看到br0。因为桥接是在数据链路层实现的,上层不需要关心桥接的细节,于是协议栈上层需要发送的报文被送到br0,网桥设备的处理代码判断报文被转发到eth0还是eth1,或者两者皆转发。反之,从eth0或者从eth1接收到的报文被提交给网桥的处理代码,在这里判断报文应该被转发、丢弃或者提交到协议栈上层。
而有时eth0、eth1也可能会作为报文的源地址或目的地址,直接参与报文的发送和接收,从而绕过网桥。

 

Bridge常用操作

 

Docker自动完成了对网桥的创建和维护。如果想要进一步理解网桥,可以看下如下举的一些常用操作命令。
新增一个网桥:

brctl addbr xxxxx

在新增网桥的基础上增加网口,在linux中,一个网口其实就是一个物理网卡。将物理网卡和网桥连接起来:

brctl addif xxxx ethx

网桥的物理网卡作为一个网口,由于在链路层工作,就不再需要IP地址了,这样上面的IP地址自然失效:

ipconfig ethx 0.0.0.0

给网桥配置一个IP地址:

ipconfig brxxx xxx.xxx.xxx.xxx

这样网桥就是一个有了IP地址,而连接在这之上的网卡就是一个纯链路层设备了。

 

Veth Pair

 

上文说到,docker在宿主机上创建docker0网桥后,凡是连接到docker0上的网桥,就可以用它来通信。那么这里又有个问题,就是这些容器是如何连接到docker0网桥上的?
所以这就是Veth Pair虚拟设备的作用了,Veth Pair就是为了在不同的Network Namespace之间进行通信,利用它,可以将两个Network Namespace连接起来。
Veth Pair设备的特点是:它被创建出来后,总是以两张虚拟网卡(Veth Peer)的形式出现。并且,其中一个网卡发出的数据包,可以直接出现在另一张“网卡”上,哪怕这两张网卡在不同的Network Namespace中。
正是因为这样的特点,Veth Pair成对出现,很像是一对以太网卡,常常被看做是不同Network Namespace直连的“网线”。在Veth一端发送数据时,他会将数据发送到另一端并触发另一端的接收操作。我们可以把Veth Pair其中一端看做另一端的一个Peer。

 

Veth Pair操作命令

 

创建Veth Pair:

ip link add veth0 type veth peer name veth1

创建后查看Veth Pair的信息:

ip link show

将其中一个Veth Peer设置到另一个Namespace:

ip link set veth1 netns netns1

在netns1中查看veth1设备:

ip netns exec netns1 ip link show

当然,在docker里面,除了将Veth放入容器,还改名为eth0。
想要通信必须先分配IP地址:

ip netns exec netns1 ip addr add 10.1.1.1/24 dev veth1
ip addr add 10.1.1.2/24 dev veth0

启动它们:

ip netns exec netns1 ip link set dev veth1 up
ip link set dev veth0 up

测试通信:

ip netns exec netns1 ping 10.1.1.2

 

Veth Pair查看端对端

 

在实际操作Veth Pair时,可以使用ethtool便于操作。
在一个Namespace中查看Veth Pair接口在设备列表中的序列号:

ip netns exec netns1 ethtool -S veth1

如果得知另一端的接口设备序列号,假如序列号为6,则可以继续查看6代表了什么设备:

ip netns exec netns2 ip link | grep 6

 

Iptables/Netfilter

 

Linux协议栈非常高效且复杂。如果我们想要在数据处理过程中对关心的数据进行一些操作,则需要Linux提供一套相应的机制帮助用户实现自定义的数据包处理过程。
在Linux网络协议栈有一组网络回调函数挂接点,通过这些挂接点函数挂接的钩子函数可以在Linux网络栈处理数据包的过程中对数据包一些操作,例如过滤、修改、丢弃等。整个挂接点技术叫做Iptables和Netfilter。
Netfilter负责在内核中执行各种各样的挂接规则,运行在内核模式中。而Iptables是在用户模式下运行的进程,负责协助维护内核中Netfilter的各种规则表。通过二者的配合来实现整个Linux网络协议栈中灵活的数据包处理机制。

 

 

规则表Table

 

这些挂载点能挂接的规则也分不同的类型,目前主要支持的Table类型如下:

  • RAW
  • MANGLE
  • NAT
  • FILTER

上述4个规则链的优先级是RAW最高,FILTER最低。
在实际应用中,不同挂接点需要的规则类型通常不同。例如,在Input的挂接点上明显不需要FILTER的过滤规则,因为根据目标地址,已经在本机的上层协议栈了,所以无需再挂载FILTER过滤规则。

 

Route

 

Linux系统包含了一个完整的路由功能。当IP层在处理数据发送或者转发时,会使用路由表来决定发往哪里。通常情况下,如果主机与目的主机直接相连,那么主机可以直接发送IP报文到目的主机。
路由功能是由IP层维护的一张路由表来实现。当主机收到数据报文时,它用此表来决策接下来应该做什么操作。当从网络侧接收到数据报文时,IP层首先会检查报文的IP地址是否与主机自身的地址相同。如果数据报文中的IP地址是自身主机的地址,那么报文将被发送到传输层相应的协议栈中去。如果报文中的IP地址不是主机自身的地址,并且配置了路由功能,那么报文将被转发,否则报文将被丢弃。
路由表的数据一般以条目形式存在,一个典型的路由表条目通常包含以下主要的条目项:

  1. 目的IP地址
  2. 下一个路由器的IP地址
  3. 标志
  4. 网络接口规范

通过路由表转发时,如果任何条目的第一个字段完全匹配目标条目的IP地址(主机)或部分匹配(网络),那么它将指示下一个路由器的IP地址。这些信息将告诉主机数据包该转发到哪一个“下一个路由器”。而条目中所有其它字段将提供更多的辅助信息来为路由转发做决定。
如果没有一个完全匹配的IP,则继续搜索网络ID。找到则转发数据到指定路由器上。由此可知,网络上所有主机都是通过这个路由表中的单个条目进行管理。
如果上述两个条件都不匹配,则将数据报文转发到一个默认路由器上。
如果上述步骤失败,默认路由器也不存在,那么这个数据报文无法转发。任何无法投递的数据都会产生一个ICMP主机不可达或者ICMP网络不可达的错误,并将该错误返回给生成此数据的应用程序。

 

Route Table

 

Linux路由表至少2个,一个是LOCAL,一个是MAIN。
Local表用于供Linux协议栈识别本地地址,以及进行本地各个不同网络之间的数据转发。MAIN表用于各类网络IP的转发。它的建立既可以使用静态配置生成,也可以使用动态路由发现协议生成。动态路由发现协议一般使用组播功能来通过发送路由发现数据,动态获取和交换网络的路由信息,并更新到路由表中。
通过下列命令查看LOCAL表的内容:

ip route show table local type local

路由表的查看:

ip route list

 

Summary

 

到此为止,介绍了实现docker容器网络最核心的基础部分,包括Network Namespace、Bridge、Veth Pair、Iptables/Netfilter、Route。接下来,将会继续在这基础之上阐述Docker容器网络的具体实现。

敬请期待下一篇《Docker容器网络-实现篇》