五張圖帶你搞懂容器網(wǎng)絡(luò)的工作原理

作者：佚名 2022-01-05 14:30:44

現(xiàn)在是時(shí)候解決容器網(wǎng)絡(luò)問題了。或者更準(zhǔn)確地說，單主機(jī)容器網(wǎng)絡(luò)問題。

使用容器總是感覺像使用魔法一樣。對于那些理解底層原理的人來說容器很好用，但是對于不理解的人來說就是個噩夢。很幸運(yùn)的是，我們已經(jīng)研究容器技術(shù)很久了，甚至成功揭秘容器只是隔離并受限的 Linux 進(jìn)程，運(yùn)行容器并不需要鏡像，以及另一個方面，構(gòu)建鏡像需要運(yùn)行一些容器。

現(xiàn)在是時(shí)候解決容器網(wǎng)絡(luò)問題了。或者更準(zhǔn)確地說，單主機(jī)容器網(wǎng)絡(luò)問題。本文會回答這些問題：

如何虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源，讓容器認(rèn)為自己擁有獨(dú)占網(wǎng)絡(luò)？
如何讓容器們和平共處，之間不會互相干擾，并且能夠互相通信？
從容器內(nèi)部如何訪問外部世界（比如，互聯(lián)網(wǎng)）？
從外部世界如何訪問某臺機(jī)器上的容器呢（比如，端口發(fā)布）？

最終結(jié)果很明顯，單主機(jī)容器網(wǎng)絡(luò)是已知的 Linux 功能的簡單組合：

網(wǎng)絡(luò)命名空間（namespace）
虛擬 Ethernet設(shè)備（veth）
虛擬網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（網(wǎng)橋）
IP路由和網(wǎng)絡(luò)地址翻譯（NAT）

并且不需要任何代碼就可以讓這樣的網(wǎng)絡(luò)魔法發(fā)生……

前提條件

任意 Linux 發(fā)行版都可以。本文的所有例子都是在 vagrant CentOS 8 的虛擬機(jī)上執(zhí)行的：

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

為了簡單起見，本文使用容器化解決方案（比如，Docker 或者 Podman）。我們會重點(diǎn)介紹基本概念，并使用最簡單的工具來達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。

network 命名空間隔離容器

Linux 網(wǎng)絡(luò)棧包括哪些部分？顯然，是一系列網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。還有別的嗎？可能還包括一系列的路由規(guī)則。并且不要忘記，netfilter hook，包括由iptables規(guī)則定義的。

我們可以快速創(chuàng)建一個并不復(fù)雜的腳本 inspect-net-stack.sh：

#!/usr/bin/env bash   
echo  "> Network devices"   
ip link   
echo -e "\n> Route table"   
ip route   
echo -e "\n> Iptables rules"   
iptables --list-rules

在運(yùn)行腳本前，讓我們修改下 iptable rule：

$ sudo iptables -N ROOT_NS

這之后，在機(jī)器上執(zhí)行上面的腳本，輸出如下：

$ sudo ./inspect-net-stack.sh   
    > Network devices   
    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  
    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   
    > Route table   
    default via 10.0.2.2 dev eth0 proto dhcp metric 100   
    10.0.2.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.2.15 metric 100   
    > Iptables rules   
    -P INPUT ACCEPT   
    -P FORWARD ACCEPT   
    -P OUTPUT ACCEPT   
    -N ROOT_NS

我們對這些輸出感興趣，因?yàn)橐_保即將創(chuàng)建的每個容器都有各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)棧。

你可能已經(jīng)知道了，用于容器隔離的一個 Linux 命名空間是網(wǎng)絡(luò)命名空間（network namespace）。從 man ip-netns 可以看到，“網(wǎng)絡(luò)命名空間是網(wǎng)絡(luò)棧邏輯上的另一個副本，它有自己的路由，防火墻規(guī)則和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。”為了簡化起見，這是本文使用的唯一的命名空間。我們并沒有創(chuàng)建完全隔離的容器，而是將范圍限制在網(wǎng)絡(luò)棧上。

創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)命名空間的一種方法是 ip 工具，它是 iproute2 的一部分：

$ sudo ip netns add netns0   
$ ip netns   
netns0

如何使用剛才創(chuàng)建的命名空間呢？一個很好用的命令 nsenter。進(jìn)入一個或多個特定的命名空間，然后執(zhí)行指定的腳本：

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 bash  
     # 新建的 bash 進(jìn)程在 netns0 里  
 $ sudo ./inspect-net-stack.sh   
    > Network devices 1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000  
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00   
    > Route table   
    > Iptables rules   
    -P INPUT ACCEPT   
    -P FORWARD ACCEPT   
    -P OUTPUT ACCEPT

從上面的輸出可以清楚地看到 bash 進(jìn)程運(yùn)行在 netns0 命名空間，這時(shí)看到的是完全不同的網(wǎng)絡(luò)棧。這里沒有路由規(guī)則，沒有自定義的 iptables chain，只有一個 loopback 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

使用虛擬的 Ethernet 設(shè)備（veth）將容器連接到主機(jī)上

如果我們無法和某個專有的網(wǎng)絡(luò)棧通信，那么它看上去就沒什么用。幸運(yùn)的是，Linux 提供了好用的工具——虛擬 Ethernet設(shè)備。從 man veth 可以看到，“veth 設(shè)備是虛擬 Ethernet 設(shè)備。他們可以作為網(wǎng)絡(luò)命名空間之間的通道（tunnel），從而創(chuàng)建連接到另一個命名空間里的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的橋梁，但是也可以作為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用。”

虛擬 Ethernet 設(shè)備通常都成對出現(xiàn)。不用擔(dān)心，先看一下創(chuàng)建的腳本：

$ sudo ip link add veth0 type veth peer name ceth0

用這條簡單的命令，我們就可以創(chuàng)建一對互聯(lián)的虛擬 Ethernet 設(shè)備。默認(rèn)選擇了 veth0 和 ceth0 這兩個名稱。

$ ip link   
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   
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: ceth0@veth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000   
  link/ether 66:2d:24:e3:49:3f brd ff:ff:ff:ff:ff:ff   
6: veth0@ceth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000   
 link/ether 96:e8:de:1d:22:e0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

創(chuàng)建的 veth0 和 ceth0 都在主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)棧（也稱為 root 網(wǎng)絡(luò)命名空間）上。將 netns0 命名空間連接到 root 命名空間，需要將一個設(shè)備留在 root 命名空間，另一個挪到 netns0 里：

$ sudo ip link set ceth0 netns netns0   
    # 列出所有設(shè)備，可以看到 ceth0 已經(jīng)從 root 棧里消失了   
   $ ip link 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   
   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   
   6: veth0@if5: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000   
    link/ether 96:e8:de:1d:22:e0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netns netns0

一旦啟用設(shè)備并且分配了合適的 IP 地址，其中一個設(shè)備上產(chǎn)生的包會立刻出現(xiàn)在其配對設(shè)備里，從而連接起兩個命名空間。從 root 命名空間開始：

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

然后是 netns0：

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

檢查連通性：

# 在 netns0 里 ping root 的 veth0   
 $ ping -c 2 172.18.0.11   
 PING 172.18.0.11 (172.18.0.11) 56(84) bytes of data.  
 64 bytes from 172.18.0.11: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.038 ms   
 64 bytes from 172.18.0.11: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.040 ms   
 --- 172.18.0.11 ping statistics ---   
 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 58ms   
 rtt min/avg/max/mdev = 0.038/0.039/0.040/0.001 ms   
 # 離開 netns0  
 $ exit    
 # 在root命名空間里ping ceth0   
 $ ping -c 2 172.18.0.10   
 PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data.   
 64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.073 ms   
 64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.046 ms   
 --- 172.18.0.10 ping statistics ---   
 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 3ms   
 rtt min/avg/max/mdev = 0.046/0.059/0.073/0.015 ms

同時(shí)，如果嘗試從 netns0 命名空間訪問其他地址，它是不可以成功的：

# 在 root 命名空間   
   $ ip addr show dev eth0   
   2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000   
    link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff   
    inet 10.0.2.15/24 brd 10.0.2.255 scope global dynamic noprefixroute eth0   
  valid_lft 84057sec preferred_lft 84057sec  
    inet6 fe80::5054:ff:fee3:2777/64 scope link   
     valid_lft forever preferred_lft forever   
    # 記住這里 IP 是 10.0.2.15  
   $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
   # 嘗試ping主機(jī)的eth0   
   $ ping 10.0.2.15   
   connect: Network is unreachable   
   # 嘗試連接外網(wǎng)  
   $ ping 8.8.8.8   
   connect: Network is unreachable

這也很好理解。在 netns0 路由表里沒有這類包的路由。唯一的 entry 是如何到達(dá) 172.18.0.0/16 網(wǎng)絡(luò)：

# 在netns0命名空間:   
    $ ip route   
    172.18.0.0/16 dev ceth0 proto kernel scope link src 172.18.0.10

Linux 有好幾種方式建立路由表。其中一種是直接從網(wǎng)絡(luò)接口上提取路由。記住，命名空間創(chuàng)建后， netns0 里的路由表是空的。但是隨后我們添加了 ceth0 設(shè)備并且分配了IP地址 172.18.0.0/16。因?yàn)槲覀兪褂玫牟皇呛唵蔚?IP 地址，而是地址和子網(wǎng)掩碼的組合，網(wǎng)絡(luò)棧可以從其中提取出路由信息。目的地是 172.18.0.0/16 的每個網(wǎng)絡(luò)包都會通過 ceth0 設(shè)備。但是其他包會被丟棄。類似的，root 命名空間也有了個新的路由：

# 在root命名空間:   
    $ ip route   
    # ... 忽略無關(guān)行 ...   
    172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11

這里，就可以回答第一個問題了。我們了解了如何隔離，虛擬化并且連接Linux網(wǎng)絡(luò)棧。

使用虛擬網(wǎng)絡(luò) switch（網(wǎng)橋）連接容器

容器化思想的驅(qū)動力是高效的資源共享。所以，一臺機(jī)器上只運(yùn)行一個容器并不常見。相反，最終目標(biāo)是盡可能地在共享的環(huán)境上運(yùn)行更多的隔離進(jìn)程。因此，如果按照上述 veth 方案，在同一臺主機(jī)上放置多個容器的話會發(fā)生什么呢？讓我們嘗試添加第二個容器。

# 從 root 命名空間   
    $ sudo ip netns add netns1   
    $ sudo ip link add veth1 type veth peer name ceth1   
    $ sudo ip link set ceth1 netns netns1   
    $ sudo ip link set veth1 up   
    $ sudo ip addr add 172.18.0.21/16 dev veth1   
    $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1   
    $ ip link set lo up   
    $ ip link set ceth1 up   
    $ ip addr add 172.18.0.20/16 dev ceth1

檢查連通性：

# 從 netns1 無法連通 root 命名空間!   
    $ ping -c 2 172.18.0.21   
    PING 172.18.0.21 (172.18.0.21) 56(84) bytes of data.   
    From 172.18.0.20 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable   
    From 172.18.0.20 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable   
    --- 172.18.0.21 ping statistics ---   
    2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 55ms pipe 2   
    # 但是路由是存在的!   
    $ ip route   
    172.18.0.0/16 dev ceth1 proto kernel scope link src 172.18.0.20   
    # 離開 netns1  
    $ exit    
    # 從 root 命名空間無法連通 netns1   
    $ ping -c 2 172.18.0.20   
    PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data.   
    From 172.18.0.11 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable   
    From 172.18.0.11 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable   
--- 172.18.0.20 ping statistics ---   
2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 23ms pipe 2   
    # 從netns0可以連通 veth1   
    $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
    $ ping -c 2 172.18.0.21   
    PING 172.18.0.21 (172.18.0.21) 56(84) bytes of data.   
    64 bytes from 172.18.0.21: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.037 ms   
    64 bytes from 172.18.0.21: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.046 ms   
    --- 172.18.0.21 ping statistics ---   
    2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 33ms   
    rtt min/avg/max/mdev = 0.037/0.041/0.046/0.007 ms   
    # 但是仍然無法連通 netns1   
    $ ping -c 2 172.18.0.20   
    PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data. 
    From 172.18.0.10 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable   
    From 172.18.0.10 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable   
    --- 172.18.0.20 ping statistics ---   
    2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 63ms pipe 2

暈！有地方出錯了……netns1 有問題。它無法連接到 root，并且從 root 命名空間里也無法訪問到它。但是，因?yàn)閮蓚€容器都在相同的 IP 網(wǎng)段 172.18.0.0/16 里，從 netns0 容器可以訪問到主機(jī)的 veth1。

這里花了些時(shí)間來找到原因，不過很明顯遇到的是路由問題。先查一下 root 命名空間的路由表：

$ ip route   
    # ... 忽略無關(guān)行... #   
    172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11   
    172.18.0.0/16 dev veth1 proto kernel scope link src 172.18.0.21

在添加了第二個 veth 對之后，root 的網(wǎng)絡(luò)棧知道了新路由 172.18.0.0/16 dev veth1 proto kernel scope link src 172.18.0.21，但是之前已經(jīng)存在該網(wǎng)絡(luò)的路由了。當(dāng)?shù)诙€容器嘗試 ping veth1 時(shí)，選中的是第一個路由規(guī)則，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法連通。如果我們刪除第一個路由 sudo ip route delete 172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11，然后重新檢查連通性，應(yīng)該就沒有問題了。netns1 可以連通，但是 netns0 就不行了。

如果我們?yōu)?netns1 選擇其他的網(wǎng)段，應(yīng)該就都可以連通。但是，多個容器在同一個 IP 網(wǎng)段上應(yīng)該是合理的使用場景。因此，我們需要調(diào)整 veth 方案。

別忘了還有 Linux 網(wǎng)橋——另一種虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)！Linux 網(wǎng)橋作用類似于網(wǎng)絡(luò) switch。它會在連接到其上的接口間轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)包。并且因?yàn)樗?switch，它是在 L2 層完成這些轉(zhuǎn)發(fā)的。

試試這個工具。但是首先，需要清除已有設(shè)置，因?yàn)橹暗囊恍┡渲矛F(xiàn)在不再需要了。刪除網(wǎng)絡(luò)命名空間：

$ sudo ip netns delete netns0   
$ sudo ip netns delete netns1   
$ sudo ip link delete veth0   
$ sudo ip link delete ceth0   
$ sudo ip link delete veth1   
$ sudo ip link delete ceth1

快速重建兩個容器。注意，我們沒有給新的veth0和veth1設(shè)備分配任何IP地址：

$ sudo ip netns add netns0   
$ sudo ip link add veth0 type veth peer name ceth0   
$ sudo ip link set veth0 up   
$ sudo ip link set ceth0 netns netns0   
$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0   
$ ip link set lo up   
$ ip link set ceth0 up   
$ ip addr add 172.18.0.10/16 dev ceth0   
$ exit   
$ sudo ip netns add netns1   
$ sudo ip link add veth1 type veth peer name ceth1  
$ sudo ip link set veth1 up   
$ sudo ip link set ceth1 netns netns1   
$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1   
$ ip link set lo up   
$ ip link set ceth1 up   
$ ip addr add 172.18.0.20/16 dev ceth1  
$ exit

確保主機(jī)上沒有新的路由：

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

最后創(chuàng)建網(wǎng)橋接口：

$ sudo ip link add br0 type bridge   
$ sudo ip link set br0 up

將veth0和veth1接到網(wǎng)橋上：

$ sudo ip link set veth0 master br0   
$ sudo ip link set veth1 master br0

檢查容器間的連通性：

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

太好了！工作得很好。用這種新方案，我們根本不需要配置 veth0 和 veth1。只需要在 ceth0 和 ceth1 端點(diǎn)分配兩個 IP 地址。但是因?yàn)樗鼈兌歼B接在相同的 Ethernet上（記住，它們連接到虛擬 switch上），之間在 L2 層是連通的：

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

太好了，我們學(xué)習(xí)了如何將容器變成友鄰，讓它們互不干擾，但是又可以連通。

連接外部世界（ IP 路由和地址偽裝（masquerading））

容器間可以通信。但是它們能和主機(jī)，比如root命名空間，通信嗎？

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

這里很明顯，netns0 沒有路由：

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

root 命名空間不能和容器通信：

# 首先使用 exit 離開netns0:   
$ ping -c 2 172.18.0.10   
PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data.   
From 213.51.1.123 icmp_seq=1 Destination Net Unreachable   
From 213.51.1.123 icmp_seq=2 Destination Net Unreachable   
--- 172.18.0.10 ping statistics ---   
2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 3ms   
$ ping -c 2 172.18.0.20   
PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data.   
From 213.51.1.123 icmp_seq=1 Destination Net Unreachable   
From 213.51.1.123 icmp_seq=2 Destination Net Unreachable   
--- 172.18.0.20 ping statistics ---   
2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 3ms

要建立 root 和容器命名空間的連通性，我們需要給網(wǎng)橋網(wǎng)絡(luò)接口分配 IP 地址：

$ sudo ip addr add 172.18.0.1/16 dev br0

一旦給網(wǎng)橋網(wǎng)絡(luò)接口分配了 IP 地址，在主機(jī)的路由表里就會多一條路由：

$ ip route   
# ...忽略無關(guān)行 ...   
172.18.0.0/16 dev br0 proto kernel scope link src 172.18.0.1   
$ ping -c 2 172.18.0.10   
PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data.   
64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.036 ms   
64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.049 ms   
--- 172.18.0.10 ping statistics ---   
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 11ms   
rtt min/avg/max/mdev = 0.036/0.042/0.049/0.009 ms   
$ ping -c 2 172.18.0.20   
PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data.   
64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.059 ms   
64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.056 ms   
--- 172.18.0.20 ping statistics ---   
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 4ms   
rtt min/avg/max/mdev = 0.056/0.057/0.059/0.007 ms

容器可能也可以 ping 網(wǎng)橋接口，但是它們還是無法連接到主機(jī)的 eth0。需要為容器添加默認(rèn)的路由：

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

這個改動基本上把主機(jī)變成了路由，并且網(wǎng)橋接口變成了容器間的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。

很好，我們將容器連接到 root 命名空間上。現(xiàn)在，繼續(xù)嘗試將它們連接到外部世界。Linux 上默認(rèn) disable 了網(wǎng)絡(luò)包轉(zhuǎn)發(fā)（比如，路由功能）。我們需要先啟用這個功能：

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

再次檢查連通性：

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

還是不工作。哪里弄錯了呢？如果容器可以向外部發(fā)包，那么目標(biāo)服務(wù)器無法將包發(fā)回容器，因?yàn)槿萜鞯腎P地址是私有的，那個特定 IP 的路由規(guī)則只有本地網(wǎng)絡(luò)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。這個問題的解決方法稱為網(wǎng)絡(luò)地址翻譯（NAT）。在到達(dá)外部網(wǎng)絡(luò)之前，容器發(fā)出的包會將源IP地址替換為主機(jī)的外部網(wǎng)絡(luò)地址。主機(jī)還會跟蹤所有已有的映射，會在將包轉(zhuǎn)發(fā)回容器之前恢復(fù)之前被替換的 IP 地址。聽上去很復(fù)雜，但是有一個好消息！iptables 模塊讓我們只需要一條命令就可以完成這一切：

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

命令非常簡單。在 nat 表里添加了一條 POSTROUTING chain 的新路由，會替換偽裝所有源于 172.18.0.0/16 網(wǎng)絡(luò)的包，但是不通過網(wǎng)橋接口。

檢查連通性：

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

要知道這里我們用的默認(rèn)策略——允許所有流量，這在真實(shí)的環(huán)境里是非常危險(xiǎn)的。主機(jī)的默認(rèn) iptables 策略是ACCEPT：

sudo iptables -S   
-P INPUT ACCEPT   
-P FORWARD ACCEPT   
-P OUTPUT ACCEPT

Docker 默認(rèn)限制所有流量，隨后僅僅為已知的路徑啟用路由。

如下是在 CentOS 8 機(jī)器上，單個容器暴露了端口 5005 時(shí)，由 Docker daemon 生成的規(guī)則：

$ sudo iptables -t filter --list-rules   
-P INPUT ACCEPT   
-P FORWARD DROP   
-P OUTPUT ACCEPT   
-N DOCKER   
-N DOCKER-ISOLATION-STAGE-1   
-N DOCKER-ISOLATION-STAGE-2   
-N DOCKER-USER   
-A FORWARD -j DOCKER-USER   
-A FORWARD -j DOCKER-ISOLATION-STAGE-1   
-A FORWARD -o docker0 -m conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT  
-A FORWARD -o docker0 -j DOCKER   
-A FORWARD -i docker0 ! -o docker0 -j ACCEPT   
-A FORWARD -i docker0 -o docker0 -j ACCEPT   
-A DOCKER -d 172.17.0.2/32 ! -i docker0 -o docker0 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j ACCEPT   
-A DOCKER-ISOLATION-STAGE-1 -i docker0 ! -o docker0 -j DOCKER-ISOLATION-STAGE-2   
-A DOCKER-ISOLATION-STAGE-1 -j RETURN   
-A DOCKER-ISOLATION-STAGE-2 -o docker0 -j DROP   
-A DOCKER-ISOLATION-STAGE-2 -j RETURN   
-A DOCKER-USER -j RETURN   
$ sudo iptables -t nat --list-rules   
-P PREROUTING ACCEPT   
-P INPUT ACCEPT   
-P POSTROUTING ACCEPT   
-P OUTPUT ACCEPT   
-N DOCKER   
-A PREROUTING -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER   
-A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o docker0 -j MASQUERADE   
-A POSTROUTING -s 172.17.0.2/32 -d 172.17.0.2/32 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j MASQUERADE  
-A OUTPUT ! -d 127.0.0.0/8 -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER   
-A DOCKER -i docker0 -j RETURN   
-A DOCKER ! -i docker0 -p tcp -m tcp --dport 5005 -j DNAT --to-destination 172.17.0.2:5000   
$ sudo iptables -t mangle --list-rules   
-P PREROUTING ACCEPT   
-P INPUT ACCEPT   
-P FORWARD ACCEPT   
-P OUTPUT ACCEPT  
 -P POSTROUTING ACCEPT   
$ sudo iptables -t raw --list-rules   
-P PREROUTING ACCEPT   
-P OUTPUT ACCEPT

讓外部世界可以訪問容器（端口發(fā)布）

大家都知道可以將容器端口發(fā)布給一些（或者所有）主機(jī)的接口。但是端口發(fā)布到底是什么意思呢？

假設(shè)容器內(nèi)運(yùn)行著服務(wù)器：

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

如果我們試著從主機(jī)上發(fā)送一個HTTP請求到這個服務(wù)器，一切都工作得很好（root命名空間和所有容器接口之間有鏈接，當(dāng)然可以連接成功）：

# 從 root 命名空間   
$ curl 172.18.0.10:5000   
<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"  "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">   
# ... 忽略無關(guān)行 ...

但是，如果要從外部訪問這個服務(wù)器，應(yīng)該使用哪個IP呢？我們知道的唯一 IP 是主機(jī)的外部接口地址 eth0：

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

因此，我們需要找到方法，能夠?qū)⒌竭_(dá)主機(jī) eth0 5000端口的所有包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地 172.18.0.10:5000。又是i ptables來幫忙！

# 外部流量    
    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   
    # 本地流量 (因?yàn)樗鼪]有通過 PREROUTING chain)   
    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，需要讓iptables能夠在橋接網(wǎng)絡(luò)上截獲流量：

sudo modprobe br_netfilter

測試：

curl 10.0.2.15:5000   
<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"  "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">  
      # ... 忽略無關(guān)行 ...

理解 Docker 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動

我們可以怎么使用這些知識呢？比如，可以試著理解 Docke r網(wǎng)絡(luò)模式[1]。

從 --network host 模式開始。試著比較一下命令 ip link 和 sudo docker run -it --rm --network host alpine ip link 的輸出。它們幾乎一樣！在 host 模式下，Docker 簡單地沒有使用網(wǎng)絡(luò)命名空間隔離，容器就在 root 網(wǎng)絡(luò)命名空間里工作，并且和主機(jī)共享網(wǎng)絡(luò)棧。

下一個模式是--network none。sudo docker run -it --rm --network host alpine ip link 的輸出只有一個 loopback 網(wǎng)絡(luò)接口。這和之前創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)命名空間，沒有添加 veth 設(shè)備前很相似。

最后是 --network bridge（默認(rèn)）模式。這正是我們前文嘗試創(chuàng)建的模式。大家可以試試ip 和iptables命令，分別從主機(jī)和容器的角度觀察一下網(wǎng)絡(luò)棧。

rootless 容器和網(wǎng)絡(luò)

Podman 容器管理器的一個很好的特性是關(guān)注于 rootless 容器。但是，你可能注意到，本文使用了很多 sudo 命令。說明，沒有 root 權(quán)限無法配置網(wǎng)絡(luò)。Podman 在 root 網(wǎng)絡(luò)上的方案[2] 和Docker非常相似。但是在 rootless 容器上，Podman 使用了 slirp4netns[3] 項(xiàng)目：

從 Linux 3.8 開始，非特權(quán)用戶可以創(chuàng)建 user_namespaces(7) 的同時(shí)創(chuàng)建 network_namespaces(7)。但是，非特權(quán)網(wǎng)絡(luò)命名空間并不是很有用，因?yàn)樵谥鳈C(jī)和網(wǎng)絡(luò)命名空間之間創(chuàng)建 veth(4) 仍然需要root權(quán)限

slirp4netns 可以用完全非特權(quán)的方式將網(wǎng)絡(luò)命名空間連接到 Internet 上，通過網(wǎng)絡(luò)命名空間里的一個TAP設(shè)備連接到用戶態(tài)的TCP/IP棧（slirp）。

rootless 網(wǎng)絡(luò)是很有限的：“從技術(shù)上說，容器本身沒有 IP 地址，因?yàn)闆]有 root 權(quán)限，無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的關(guān)聯(lián)。另外，從 rootless 容器 ping 是不會工作的，因?yàn)樗鄙?CAP_NET_RAW 安全能力，而這是 ping 命令必需的。”但是它仍然比完全沒有連接要好。

結(jié)論

本文介紹的組織容器網(wǎng)絡(luò)的方案僅僅是可能方案的一種（可能是最為廣泛使用的一種）。還有很多別的方式，由官方或者第三方插件實(shí)現(xiàn)，但是所有這些方案都嚴(yán)重依賴于 Linux 網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)[4]。因此，容器化可以認(rèn)為是一種虛擬化技術(shù)。

責(zé)任編輯：龐桂玉來源：奇妙的Linux世界

容器 Linux 網(wǎng)絡(luò)