理解Docker（5）：Docker 网络

本系列文章将介绍 Docker的相关知识：

1. Docker 网络概况

用一张图来说明 Docker 网络的基本概况：

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               destination
MASQUERADE  all  --  172.17.0.0/        0.0.0.0/
MASQUERADE  all  --  172.18.0.0/        0.0.0.0/

效果是这样的：

（图片来源）

示意图：

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 : 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//ns/net /var/run/netns/hostc1
root@docker2:/home/sammy# ip netns
hostc1
root@docker2:/home/sammy# ip netns exec hostc1
No command specified
root@docker2:/home/sammy# ip netns exec hostc1 ip a
: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu  qdisc noqueue state UNKNOWN group default
    link/loopback ::::: brd :::::
    inet 127.0.0.1/ scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::/ scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu  qdisc pfifo_fast state UP group default qlen
    link/ether :::d4:: brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.1.20/ brd 192.168.1.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::a00:27ff:fed4:/ scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
......

示意图：

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：

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 a
: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu  qdisc noqueue state UNKNOWN group default
    link/loopback ::::: brd :::::
    inet 127.0.0.1/ scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::/ 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 : -p : -p : \
 --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://${HostIP}:2380 \
 -listen-peer-urls http://0.0.0.0:2380 \
 -initial-cluster-token etcd-cluster- \
 -initial-cluster etcd0=http://${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：

 b847195507addf4fb5a01751eb9c4101416a13db4a8a835e1c2fa1db1e6f364e
docker: 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-health
member 5d72823aca0e00be is healthy: got healthy result from http://:2379
cluster is healthy

root@devstack:/home/sammy# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE                 COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS                                                      NAMES
179cd52b494d        quay.io/coreos/etcd   "/usr/local/bin/etcd "    seconds ago       Up  seconds        0.0.0.0:-->-/tcp, 0.0.0.0:->/tcp   etcd
root@devstack:/home/sammy# netstat -nltp | grep
tcp6              :::                 :::*                    LISTEN      /docker-proxy
root@devstack:/home/sammy# netstat -nltp | grep
tcp6              :::                 :::*                    LISTEN      /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 ps
An 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 overlaynet1
1de982804f632169380609b9be7c1466b0064dce661a8f4c9e30d781e79fc45a
root@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//ns/net /var/run/netns/over2
root@docker2:/home/sammy# ip netns
over2
root@docker2:/home/sammy# ip netns exec over2 ip a
 
: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether ::0a::: brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.0.0.2/24 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80:::aff:fe00:/ scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
: eth1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu  qdisc noqueue state UP group default
    link/ether ::ac::: brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.19.0.2/16 scope global eth1
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80:::acff:fe13:/ 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 -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         172.19.0.1      0.0.0.0         UG                   eth1
10.0.0.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U                    eth0
172.19.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U                    eth1

先看此时的网络拓扑图：

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--1de98
: vx--1de98: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu  qdisc noqueue master ov--1de98 state UNKNOWN mode DEFAULT group default
    link/ether :3c:3f:8f::f6 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity
    vxlan id  port   proxy l2miss l3miss ageing
root@docker1:/home/sammy# bridge fdb show dev vx--1de98
:3c:3f:8f::f6 vlan  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	TCP	UDP
Overlay 网络中的两个容器之间 (A)	913 Mbits/sec	1.05 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/sec	1.05 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/sec	1.05 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：

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：