理解Docker（5）：Docker 网络

傷城~ 2022-05-12 13:56 203阅读 0赞

来源：[http://www.cnblogs.com/sammyliu/p/5894191.html][http_www.cnblogs.com_sammyliu_p_5894191.html]

## 1. Docker 网络概况 ##

用一张图来说明 Docker 网络的基本概况：

![697113-20160922082500668-996094065.jpg][]

## 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][Netruon _11_ NAT _ Linux network namespace]。

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  --  172.17.0.0/16        0.0.0.0/0
    MASQUERADE  all  --  172.18.0.0/16        0.0.0.0/0

效果是这样的：

![697113-20161001091515719-188391370.jpg][]（[图片来源][Link 1]）

示意图：

![697113-20160921210314981-2013047548.jpg][]

### 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

![复制代码][copycode.gif]

root@docker2:/home/sammy# ln -s /proc/28353/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
    1: 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
    2: 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
    ......

![复制代码][copycode.gif]

示意图：

![697113-20160921211323293-119309106.jpg][]

### 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：

![697113-20160921215054012-2042972351.jpg][]

### 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

![复制代码][copycode.gif]

root@docker2:/home/sammy# ip netns exec hostn1 ip a
    1: 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

![复制代码][copycode.gif]

## 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：

![复制代码][copycode.gif]

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

![复制代码][copycode.gif]

使用 Docker 启动 etcd 请参考 [https://coreos.com/etcd/docs/latest/docker\_guide.html][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

![复制代码][copycode.gif]

root@devstack:/home/sammy# docker ps
    CONTAINER ID        IMAGE                 COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS                                                      NAMES
    179cd52b494d        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   etcd
    root@devstack:/home/sammy# netstat -nltp | grep 2380
    tcp6       0      0 :::2380                 :::*                    LISTEN      4072/docker-proxy
    root@devstack:/home/sammy# netstat -nltp | grep 4001
    tcp6       0      0 :::4001                 :::*                    LISTEN      4047/docker-proxy

![复制代码][copycode.gif]

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：

![复制代码][copycode.gif]

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": {}
        }
    ]

![复制代码][copycode.gif]

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：

![复制代码][copycode.gif]

root@docker2:/home/sammy# ln -s /proc/23576/ns/net /var/run/netns/over2
    root@docker2:/home/sammy# ip netns
    over2
    root@docker2:/home/sammy# ip netns exec over2 ip a
    
    22: 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 forever
    24: 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

![复制代码][copycode.gif]

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    0      0        0 eth1
    10.0.0.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth0
    172.19.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 eth1

先看此时的网络拓扑图：

![697113-20161001083118297-1525684169.jpg][]

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][Neutron _14_Neutron ML2 _ Linux bridge _ VxLAN]
 *  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][Netruon _11_ NAT _ Linux network namespace]
 *  github 上代码在这里 [https://github.com/docker/libnetwork/blob/master/drivers/overlay/][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-000100-1de98
    8: 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 300
    root@docker1:/home/sammy# bridge fdb show dev vx-000100-1de98
    22:3c: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][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：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><strong>类型</strong></td> 
   <td><strong>TCP</strong></td> 
   <td><strong>UDP</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Overlay 网络中的两个容器之间 (A)</td> 
   <td>913 Mbits/sec</td> 
   <td>1.05 Mbits/sec</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Bridge/NAT 网络中的两个容器之间 (B)</td> 
   <td>1.73 Gbits/sec</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>主机间 (C)</td> 
   <td>2.06 Gbits/sec</td> 
   <td>1.05 Mbits/sec</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>主机到另一个主机上的 bridge 网络模式的容器 (D)</td> 
   <td>1.88&nbsp;Gbits/sec</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>主机到本主机上的容器 (E)</td> 
   <td>20.5 Gbits/sec</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>主机到另一个主机上的 host 网络模式的容器 (F)</td> 
   <td>2.02 Gbits/sec</td> 
   <td>1.05 Mbits/sec</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>容器 Overlay 效率 (A/C)</strong></td> 
   <td>44%</td> 
   <td>&nbsp;100% ?</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>单个 NAT 效率 (D/C)</strong></td> 
   <td>91%</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>两个 NAT 效率 (B/C)</strong></td> 
   <td>83%</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>Host 网络模式效率 (F/C)</strong></td> 
   <td>98%</td> 
   <td>100%</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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：

![697113-20160929205031000-1538421698.jpg][]

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。

[http_www.cnblogs.com_sammyliu_p_5894191.html]: http://www.cnblogs.com/sammyliu/p/5894191.html
[697113-20160922082500668-996094065.jpg]: /images/20220504/9ad3f9f397654ae7afb08cca7aa1c290.png
[Netruon _11_ NAT _ Linux network namespace]: http://www.cnblogs.com/sammyliu/p/5760125.html
[697113-20161001091515719-188391370.jpg]: /images/20220504/23f63d384d66496998aac06e8cf0aa34.png
[Link 1]: https://www.singlestoneconsulting.com/~/media/files/whitepapers/dockernetworking2.pdf
[697113-20160921210314981-2013047548.jpg]: /images/20220504/9c39c2de493344a69675e385378917ba.png
[copycode.gif]: /images/20220504/6daa1f8fb5584d8fb51b1e69d7ebdea9.png
[697113-20160921211323293-119309106.jpg]: /images/20220504/d3246f320db14e58a2e54a744bc3fa7b.png
[697113-20160921215054012-2042972351.jpg]: /images/20220504/43b8bb4fc94e46419423d88b1a5bf313.png
[https_coreos.com_etcd_docs_latest_docker_guide.html]: https://coreos.com/etcd/docs/latest/docker_guide.html
[697113-20161001083118297-1525684169.jpg]: /images/20220504/fe9bc183ded047ceae3ef631b1f579ce.png
[Neutron _14_Neutron ML2 _ Linux bridge _ VxLAN]: http://www.cnblogs.com/sammyliu/p/4985907.html
[https_github.com_docker_libnetwork_blob_master_drivers_overlay]: https://github.com/docker/libnetwork/blob/master/drivers/overlay/
[https_github.com_docker_docker_issues_25215]: https://github.com/docker/docker/issues/25215
[Testing Docker multi-host network performance]: http://www.cnblogs.com/sammyliu/p/Testing%20Docker%20multi-host%20network%20performance
[697113-20160929205031000-1538421698.jpg]: /images/20220504/24663d47598b401c9b1ac3bcc548a76d.png