虚拟化网络

Network Namespace 是 Linux 内核提供的功能，是实现网络虚拟化的重要功能，它能创建多个隔离的网络空间，它们有独自网络栈信息。不管是虚拟机还是容器，运行的时候仿佛自己都在独立的网络中。而且不同Network Namespace的资源相互不可见，彼此之间无法通信。

每个新创建的 Network Namespace 默认有一个本地环回接口 lo，除此之外，所有的其他网络设备(物理/虚拟网络接口，网桥等)只能属于一个 Network Namespace。每个 socket 也只能属于一个 Network Namespace。

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

docker 发布后的虚拟地址_容器


如上图所示，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。
但是当名称空间数量超过物理网卡数量时怎么办呢？

这个时候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。

Linux内核模拟的二层设备，每个网络接口设备是成对出现的，可以模拟为一根网线的两端，其中一端模拟主机的虚拟网卡，另一端模拟虚拟交换机，就相当于让一个主机连到一个交换机上去。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。

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：

docker 发布后的虚拟地址_docker_02


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。

单节点容器间通信

如果在同一个物理机上的两个容器想通信，我们的办法就是在这台主机上建立一个虚拟交换机，而后让两个容器各自用纯软件的方式创建一对虚拟网卡，一半在容器上，一半在虚拟交换机上，从而实现通信。如下图所示：

docker 发布后的虚拟地址_容器_03

如果容器要跨交换机怎么通信呢？

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，如下图所示，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

docker 发布后的虚拟地址_网络_04

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。如下图所示：

docker 发布后的虚拟地址_IP_05

不同节点容器间通信

如下图所示，如果C1要与C5进行通信又该如何实现呢？

docker 发布后的虚拟地址_网络_06


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，那就只能使用NAT技术了。通过DNAT将容器的端口暴露到宿主机上，通过访问宿主机的端口来实现访问容器内部的目的，而在请求端我们需要做SNAT将数据包通过宿主机的真实网卡转发出去。但这样做的话，因为要进行两次NAT转换，所以效率会比较低。

此时我们可以采用一种叫做Overlay Network（叠加网络）的技术来实现不同节点间容器的相互通信功能。

docker 发布后的虚拟地址_网络_07


Overlay Network（叠加网络）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。

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
e75d6af36421   bridge    bridge    local
f825718ae045   host      host      local
55b776caba23   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。

Docker支持的四种网络模式：

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

bridge模式

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。

docker 发布后的虚拟地址_docker_08


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。

使用docker run运行一个容器查看

[root@docker ~]# docker images
REPOSITORY   TAG       IMAGE ID       CREATED        SIZE
httpd        latest    ad17c88403e2   2 weeks ago    143MB
tomcat       latest    904a98253fbf   2 weeks ago    680MB
nginx        latest    ea335eea17ab   2 weeks ago    141MB
centos       latest    5d0da3dc9764   2 months ago   231MB

[root@docker ~]# docker run -d --name httpd ad17c88403e2
df72f9946f962129e5d34771660e4ef42e8c9383106a4a0726471b22218e9de1

[root@docker ~]# docker inspect df72f9946f962129e5d34
......省略n行
"Gateway": "172.17.0.1",   网关为 docker0 网卡ip
            "GlobalIPv6Address": "",
            "GlobalIPv6PrefixLen": 0,
            "IPAddress": "172.17.0.4", 容器ip
.......
[root@docker ~]# ip a    //在本机上查看网卡信息
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    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
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:b7:b0:df brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.58.10/24 brd 192.168.58.255 scope global noprefixroute ens160
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::ca43:3f86:3176:184c/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: docker0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default 
    link/ether 02:42:d8:12:14:0a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::42:d8ff:fe12:140a/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever
7: veth64a7345@if6: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue master docker0 state UP group default 
    link/ether 86:01:71:78:7d:f0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet6 fe80::8401:71ff:fe78:7df0/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever
       
[root@docker ~]# ping 172.17.0.4    //使用ping测试网络连通性
PING 172.17.0.4 (172.17.0.4) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 172.17.0.4: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.212 ms
64 bytes from 172.17.0.4: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.153 ms
64 bytes from 172.17.0.4: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.345 ms


注意：7: veth64a7345@if6: 为创建容器上自动生成的虚拟网卡
且发现通过docker0网桥，宿主机和容器是能够互通的

bridge模式是docker的默认网络模式，不写–network参数，就是bridge模式。

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。

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。

[root@docker ~]# docker run -dit --name httpd1 -p 8080:80 ad17c88403e2 /bin/bash   //将httpd的端口映射到本机上的8080端口上
94b9964e3140ca355595acedfdb09949faf85f2f88c8f1d6b980f8bc25d33204

[root@docker ~]# ss -anlt   //查看端口，可以看到，容器上的80端口被映射到了宿主机上8080端口上
State               Recv-Q               Send-Q                             Local Address:Port                             Peer Address:Port              
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 |tail -1   //同时也自动添加的防火墙规则
    0     0 DNAT       tcp  --  !docker0 *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            tcp dpt:8080 to:172.17.0.5:80
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。

docker 发布后的虚拟地址_网络_09


启动一个容器

[root@docker ~]# docker run -it --name by busybox    
Unable to find image 'busybox:latest' locally
latest: Pulling from library/busybox
3aab638df1a9: Pull complete 
Digest: sha256:52817dece4cfe26f581c834d27a8e1bcc82194f914afe6d50afad5a101234ef1
Status: Downloaded newer image for busybox:latest

/ # ip a   //查看网卡信息 
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
    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
14: eth0@if15: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue 
    link/ether 02:42:ac:11:00:06 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.6/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0 // ip
       valid_lft forever preferred_lft forever

另起一个终端
加入–network container:by busybox （ container：网卡模式 by ：容器名 busybox：镜像名）参数后在启动一个容器

[root@docker ~]# docker run -it --name by1 --rm --network container:by busybox
/ # ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
    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
14: eth0@if15: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue 
    link/ether 02:42:ac:11:00:06 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.6/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever

可以看到容器by的eth0网卡和容器by1的eth0网卡IP是一样的，但实际上是共by1享by的IP，它们之间仅共享IP，但不共享文件系统。

host模式

如果启动容器的时候使用host模式，那么这个容器将不会获得一个独立的Network Namespace，而是和宿主机共用一个Network Namespace。容器将不会虚拟出自己的网卡，配置自己的IP等，而是使用宿主机的IP和端口。但是，容器的其他方面，如文件系统、进程列表等还是和宿主机隔离的。

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。

docker 发布后的虚拟地址_网络_10


创建一个网卡模式为 host的容器

[root@docker ~]# docker run -it --name test1 --rm --network host busybox
/ # ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
    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
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:b7:b0:df brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.58.10/24 brd 192.168.58.255 scope global noprefixroute ens160
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::ca43:3f86:3176:184c/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: docker0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue 
    link/ether 02:42:d8:12:14:0a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::42:d8ff:fe12:140a/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever
7: veth64a7345@if6: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue master docker0 
    link/ether 86:01:71:78:7d:f0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet6 fe80::8401:71ff:fe78:7df0/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever
9: vethf79698d@if8: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue master docker0 
    link/ether f2:28:24:ee:67:c4 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet6 fe80::f028:24ff:feee:67c4/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

再到本机查看网卡信息

[root@docker ~]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    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
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:b7:b0:df brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.58.10/24 brd 192.168.58.255 scope global noprefixroute ens160
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::ca43:3f86:3176:184c/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: docker0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default 
    link/ether 02:42:d8:12:14:0a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::42:d8ff:fe12:140a/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

可以看到容器test1中使用的是宿主机ens160网卡，IP都是192.168.58.10

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。
创建一个网卡模式为 none的容器

[root@docker ~]# docker run -it --name test2 --rm --network none busybox
/ # ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
    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
/ #

可以使用 docker network inspect bridge 查看bridge网络的详细配置