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理解Docker(5):Docker 网络

1. Docker 网络概况

用一张图来说明 Docker 网络的基本概况:

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2. 四种单节点网络模式

2.1 bridge 模式

Docker 容器默认使用 bridge 模式的网络。其特点如下:

  • 使用一个 linux bridge,默认为 docker0
  • 使用 veth 对,一头在容器的网络 namespace 中,一头在 docker0 上
  • 该模式下Docker Container不具有一个公有IP,因为宿主机的IP地址与veth pair的 IP地址不在同一个网段内
  • Docker采用 NAT 方式,将容器内部的服务监听的端口与宿主机的某一个端口port 进行“绑定”,使得宿主机以外的世界可以主动将网络报文发送至容器内部
  • 外界访问容器内的服务时,需要访问宿主机的 IP 以及宿主机的端口 port
  • NAT 模式由于是在三层网络上的实现手段,故肯定会影响网络的传输效率。
  • 容器拥有独立、隔离的网络栈;让容器和宿主机以外的世界通过NAT建立通信
  • 关于容器通过 NAT 连接外网的原理,请参考我的另一篇文章 Netruon 理解(11):使用 NAT 将 Linux network namespace 连接外网。

iptables 的 SNTA 规则,使得从容器离开去外界的网络包的源 IP 地址被转换为 Docker 主机的IP地址:

Chain POSTROUTING (policy ACCEPT)target     prot opt source               destinationMASQUERADE  all  --  172.17.0.0/16        0.0.0.0/0MASQUERADE  all  --  172.18.0.0/16        0.0.0.0/0

效果是这样的:

技术分享(图片来源)

示意图:

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2.2 Host 模式

定义:

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

实验:

(1)启动一个 host 网络模式的容器

docker run -d --name hostc1 --network host -p 5001:5001 training/webapp python app.py

(2)检查其 network namespace,其中可以看到主机上的所有网络设备

root@docker2:/home/sammy# ln -s /proc/28353/ns/net /var/run/netns/hostc1root@docker2:/home/sammy# ip netnshostc1root@docker2:/home/sammy# ip netns exec hostc1No command specifiedroot@docker2:/home/sammy# ip netns exec hostc1 ip a1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00    inet 127.0.0.1/8 scope host lo       valid_lft forever preferred_lft forever    inet6 ::1/128 scope host       valid_lft forever preferred_lft forever2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000    link/ether 08:00:27:d4:66:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff    inet 192.168.1.20/24 brd 192.168.1.255 scope global eth0       valid_lft forever preferred_lft forever    inet6 fe80::a00:27ff:fed4:6675/64 scope link       valid_lft forever preferred_lft forever
......

示意图:

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2.3 container 模式

定义:

 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。  

实验:

(1)启动一个容器: 

docker run -d --name hostcs1 -p 5001:5001 training/webapp python app.py

(2)启动另一个容器,并使用第一个容器的 network namespace

docker run -d --name hostcs2 --network container:hostcs1  training/webapp python app.py

注意:因为此时两个容器要共享一个 network namespace,因此需要注意端口冲突情况,否则第二个容器将无法被启动。

示意图:

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2.4 none 模式

定义:

 网络模式为 none,即不为 Docker 容器构造任何网络环境。一旦Docker 容器采用了none 网络模式,那么容器内部就只能使用loopback网络设备,不会再有其他的网络资源。Docker Container的none网络模式意味着不给该容器创建任何网络环境,容器只能使用127.0.0.1的本机网络。

实验:

(1)创建并启动一个容器: docker run -d --name hostn1 --network none training/webapp python app.py

(2)检查其网络设备,除了 loopback 设备外没有其它设备

root@docker2:/home/sammy# ip netns exec hostn1 ip a1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00    inet 127.0.0.1/8 scope host lo       valid_lft forever preferred_lft forever    inet6 ::1/128 scope host       valid_lft forever preferred_lft forever

3. 多节点 Docker 网络

  Docker 多节点网络模式可以分为两类,一类是 Docker 在 1.19 版本中引入的基于 VxLAN 的对跨节点网络的原生支持;另一种是通过插件(plugin)方式引入的第三方实现方案,比如 Flannel,Calico 等等。

3.1 Docker 原生overlay 网络

  Docker 1.19 版本中增加了对 overlay 网络的原生支持。Docker 支持 Consul, Etcd, 和 ZooKeeper 三种分布式key-value 存储。其中,etcd 是一个高可用的分布式 k/v存储系统,使用etcd的场景默认处理的数据都是控制数据,对于应用数据,只推荐数据量很小,但是更新访问频繁的情况。

3.1.1 安装配置

准备三个节点:

  • devstack 192.168.1.18
  • docker1 192.168.1.21
  • docker2 192.168.1.19

在 devstack 上使用Docker 启动 etcd 容器:

export HostIP="192.168.1.18"docker run -d -v /usr/share/ca-certificates/:/etc/ssl/certs -p 4001:4001 -p 2380:2380 -p 2379:2379  --name etcd quay.io/coreos/etcd \
/usr/local/bin/etcd -name etcd0 -advertise-client-urls http://${HostIP}:2379,http://${HostIP}:4001 -listen-client-urls http://0.0.0.0:2379,http://0.0.0.0:4001 -initial-advertise-peer-urls http://${HostIP}:2380 -listen-peer-urls http://0.0.0.0:2380 -initial-cluster-token etcd-cluster-1 -initial-cluster etcd0=http://${HostIP}:2380 -initial-cluster-state new

使用 Docker 启动 etcd 请参考 https://coreos.com/etcd/docs/latest/docker_guide.html。不过,应该是因为制造镜像所使用的Dockerfile 原因,官网上的命令因为少了上面红色字体部分而会造成启动失败:

 b847195507addf4fb5a01751eb9c4101416a13db4a8a835e1c2fa1db1e6f364edocker: Error response from daemon: oci runtime error: exec: "-name": executable file not found in $PATH.

添加红色部分后,容器可以被正确创建:

root@devstack:/# docker exec -it 179cd52b494d /usr/local/bin/etcdctl cluster-healthmember 5d72823aca0e00be is healthy: got healthy result from http://:2379cluster is healthy
root@devstack:/home/sammy# docker psCONTAINER ID        IMAGE                 COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS                                                      NAMES179cd52b494d        quay.io/coreos/etcd   "/usr/local/bin/etcd "   8 seconds ago       Up 8 seconds        0.0.0.0:2379-2380->2379-2380/tcp, 0.0.0.0:4001->4001/tcp   etcdroot@devstack:/home/sammy# netstat -nltp | grep 2380tcp6       0      0 :::2380                 :::*                    LISTEN      4072/docker-proxyroot@devstack:/home/sammy# netstat -nltp | grep 4001tcp6       0      0 :::4001                 :::*                    LISTEN      4047/docker-proxy

在docker1 和 docker2 节点上修改 /etc/default/docker,添加:

DOCKER_OPTS="--cluster-store=etcd://192.168.1.18:2379 --cluster-advertise=192.168.1.20:2379"

然后分别重启 docker deamon。注意,要使用IP地址;要是使用 hostname 的话,docker 服务将启动失败:

root@docker2:/home/sammy# docker psAn error occurred trying to connect: Get http://%2Fvar%2Frun%2Fdocker.sock/v1.24/containers/json: read unix @->/var/run/docker.sock: read: connection reset by peer

3.1.2 使用 Docker overlay 网络

(1)在docker1上运行下面的命令创建一个 overlay 网络:

root@docker1:/home/sammy# docker network create -d overlay overlaynet11de982804f632169380609b9be7c1466b0064dce661a8f4c9e30d781e79fc45aroot@docker1:/home/sammy# docker network inspect overlaynet1[    {        "Name": "overlaynet1",        "Id": "1de982804f632169380609b9be7c1466b0064dce661a8f4c9e30d781e79fc45a",        "Scope": "global",        "Driver": "overlay",        "EnableIPv6": false,        "IPAM": {            "Driver": "default",            "Options": {},            "Config": [                {                    "Subnet": "10.0.0.0/24",                    "Gateway": "10.0.0.1/24"                }            ]        },        "Internal": false,        "Containers": {},        "Options": {},        "Labels": {}    }]

在 docker2 上你也会看到这个网络,说明通过 etcd,网络数据是分布式而不是本地的了。

(2)在网络中创建容器

在 docker2 上,运行 docker run -d --name over2 --network overlaynet1 training/webapp python app.py

在 docker1 上,运行 docker run -d --name over1 --network overlaynet1 training/webapp python app.py

进入容器 over2,发现它有两块网卡:

root@docker2:/home/sammy# ln -s /proc/23576/ns/net /var/run/netns/over2root@docker2:/home/sammy# ip netnsover2root@docker2:/home/sammy# ip netns exec over2 ip a22: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP group default    link/ether 02:42:0a:00:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff    inet 10.0.0.2/24 scope global eth0       valid_lft forever preferred_lft forever    inet6 fe80::42:aff:fe00:2/64 scope link       valid_lft forever preferred_lft forever24: eth1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default    link/ether 02:42:ac:13:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff    inet 172.19.0.2/16 scope global eth1       valid_lft forever preferred_lft forever    inet6 fe80::42:acff:fe13:2/64 scope link       valid_lft forever preferred_lft forever

其中 eth1 的网络是一个内部的网段,其实它走的还是普通的 NAT 模式;而 eth0 是 overlay 网段上分配的IP地址,也就是它走的是 overlay 网络,它的 MTU 是 1450 而不是 1500.

进一步查看它的路由表,你会发现只有同一个 overlay 网络中的容器之间的通信才会通过 eth0,其它所有通信还是走 eth1.

root@docker2:/home/sammy# ip netns exec over2 route -nKernel IP routing tableDestination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface0.0.0.0         172.19.0.1      0.0.0.0         UG    0      0        0 eth110.0.0.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth0172.19.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 eth1

先看此时的网络拓扑图:

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可见:

  • Docker 在每个节点上创建了两个 linux bridge,一个用于 overlay 网络(ov-000100-1de98),一个用于非 overlay 的 NAT 网络(docker_gwbridge)
  • 容器内的到overlay 网络的其它容器的网络流量走 overlay 网卡(eth0),其它网络流量走 NAT 网卡(eth1)
  • 当前 Docker 创建 vxlan 隧道的ID范围为 256~1000,因而最多可以创建745个网络,因此,本例中的这个 vxlan 隧道使用的 ID 是 256
  • Docker vxlan 驱动使用 4789 UDP 端口
  • overlay网络模型底层需要类似 consul 或 etcd 的 KV 存储系统进行消息同步
  • Docker overlay 不使用多播
  • Overlay 网络中的容器处于一个虚拟的大二层网络中
  • 关于 linux bridge + vxlan 组网,请参考  Neutron 理解(14):Neutron ML2 + Linux bridge + VxLAN 组网
  • 关于 linux network namspace + NAT 组网,请参考 Netruon 理解(11):使用 NAT 将 Linux network namespace 连接外网
  • github 上代码在这里 https://github.com/docker/libnetwork/blob/master/drivers/overlay/

ov-000100-1de98 的初始情形:

root@docker1:/home/sammy# ip -d link show dev vx-000100-1de988: vx-000100-1de98: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master ov-000100-1de98 state UNKNOWN mode DEFAULT group default    link/ether 22:3c:3f:8f:94:f6 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 1    vxlan id 256 port 32768 61000 proxy l2miss l3miss ageing 300root@docker1:/home/sammy# bridge fdb show dev vx-000100-1de9822:3c:3f:8f:94:f6 vlan 0 permanent

这里很明显的一个问题是,vxlan dev vx-000100-1de98 的 fdb 表内容不全,导致从容器1 ping 容器2 不通。待选的解决方式不外乎下面几种:

  • 使用一个中央数据库,它保存所有容器的 IP 地址和所在节点的 IP 地址的映射关系
  • 使用多播
  • 使用比如 BGP 的特殊协议来广告(advertise)容器的 IP 和所在节点的 IP 的映射关系

Docker 从某种程度上利用了第一种和第三种方式的组合,首先Docker 利用 consul 以及 etcd 这样的分布式 key/value 存储来保存IP地址映射关系,另一方面个Docker 节点也通过某种协议来直接广告映射关系。

为了测试,中间重启了 docker1 节点,发现 over1 容器无法启动,报错如下:

docker: Error response from daemon: network sandbox join failed: could not get network sandbox (oper true): failed get network namespace "": no such file or directory.

根据 https://github.com/docker/docker/issues/25215,这是 Docker 的一个bug,fix 刚刚推出。一个 workaround 是重新创建 overlay network。

回到容器之间无法ping通对方的问题,尚不知道根本原因是什么(想吐槽Docker目前的问题真不少)。要使得互相 ping 能工作,至少必须具备下面的条件:

在 docker1 上,

  • 为 vxlan dev 添加一条 fdb entry:02:42:14:00:00:03 dst 192.168.1.20 self
  • 在容器中添加一条 arp entry:ip netns exec over1 arp -s 20.0.0.3 02:42:14:00:00:03

在 docker 2 上,

  • 为 vxlan dev 添加一条 fdb entry:02:42:14:00:00:02 dst 192.168.1.21 self permanent
  • 在容器中添加一条 arp entry:ip netns exec over4 arp -s 20.0.0.2 02:42:14:00:00:02

3. 网络性能对比

3.1 在我的测试环境中的数据

使用 iperf 工具检查测试了一下性能并做对比:

类型TCPUDP
Overlay 网络中的两个容器之间 (A)913 Mbits/sec1.05 Mbits/sec
Bridge/NAT 网络中的两个容器之间 (B)1.73 Gbits/sec 
主机间 (C)2.06 Gbits/sec1.05 Mbits/sec
主机到另一个主机上的 bridge 网络模式的容器 (D)1.88 Gbits/sec 
主机到本主机上的容器 (E)20.5 Gbits/sec 
主机到另一个主机上的 host 网络模式的容器 (F)2.02 Gbits/sec1.05 Mbits/sec
容器 Overlay 效率 (A/C)44% 100% ?
单个 NAT 效率 (D/C)91% 
两个 NAT 效率 (B/C)83% 
Host 网络模式效率 (F/C)98%100%

 两台主机是同一个物理机上的两个虚机,因此,结果的绝对值其实没多少意义,相对值有一定的参考性。

3.2 网上文章中的对比数据

文章 Testing Docker multi-host network performance 对比了多种网络模式下的性能,结果如下:

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看起来这个表里面的数据和我的表里面的数据差不了太多。

3.3 关于Docker 网络模式选择的简单结论

  • Bridge 模式的性能损耗大概为10%
  • 原生 overlay 模式的性能损耗非常高,甚至达到了 56%,因此,在生产环境下使用这种模式需要非常谨慎。
  • 如果一定要使用 overlay 模式的话,可以考虑使用 Cisco 发起的  Calico 模式,它的性能和 bridge 相当。
  • Weave overlay 模式的性能数据非常可疑,按理说应该不可能这么差。

 

参考链接:

  • http://kangkai.net.cn/etcd-cluster-guide/
  • https://www.singlestoneconsulting.com/~/media/files/whitepapers/dockernetworking2.pdf

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