Docker 网络原理概览
2023-04-03 计算机网络 Docker Cloud Native
概述
Docker 原生网络是基于 Linux 的 网络命名空间（net namespace） 和 虚拟网络设备（veth pair）实现的。
当 Docker 进程启动时，会在宿主机上创建一个名称为 docker0 的 虚拟网桥，在该宿主机上启动的 Docker 容器会连接到这个虚拟网桥上。
$ ifconfig
# 输出如下
docker0: ... mtu 1500
inet 172.17.0.1 netmask 255.255.0.0 broadcast 172.17.255.255
...
虚拟网桥的工作方式和物理交换机类似，宿主机上所有的容器通过虚拟网桥连接在一个二层网络中。
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。在宿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）， 另一端放在宿主机中，以 vethxxx 类似的名字命名，
并将这个网络设备连接到 docker0 网桥中。
Docker 会自动配置 iptables 规则和配置 NAT，便于连通宿主机上的 docker0 网桥，完成这些操作之后，容器就可以使用它的 eth0 虚拟网卡，来连接其他容器和访问外部网络。
Docker 中的网络接口默认都是虚拟的接口，Linux 在内核中通过 数据复制 实现接口之间的数据传输，可以充分发挥数据在不同 Docker 容器或容器与宿主机之间的转发效率，
发送接口发送缓存中的数据包，将直接复制到接收接口的缓存中，无需通过物理网络设备进行交换。
# 查询主机上 veth 设备
$ ifconfig | grep veth*
veth06f40aa:
...
vethfdfd27a:
虚拟网桥 docker0 通过 iptables 配置与宿主机器上的网卡相连，符合条件的请求都会通过 iptables 转发到 docker0, 然后分发给对应的容器。
# 查看 docker 的 iptables 配置
$ iptables -t nat -L
# 输出如下
Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target prot opt source destination
DOCKER all -- anywhere anywhere ADDRTYPE match dst-type LOCAL
Chain DOCKER (2 references)
target prot opt source destination
RETURN all -- anywhere anywhere
网络驱动
Docker 的网络子系统支持插拔式的驱动程序，默认存在多个驱动程序，并提供核心网络功能。
| 名称 | 描述 |
|---|---|
| bridge | 默认的网络设备，当应用程序所在的容器需要通信时使用 |
| host | 移除容器与宿主机之间的网络隔离，直接使用宿主机的网络 |
| overlay | 将多个容器连接，并使集群服务能够相互通信 |
| ipvlan | 使用户可以完全控制 IPv4 和 IPv6 寻址 |
| macvlan | 可以为容器分配 MAC 地址 |
| none | 禁用所有网络 |
| Network plugins | 通过 Docker 安装和使用第三方网络插件 |
Docker daemon 通过调用 libnetwork 提供的 API 完成网络的创建和管理等功能。libnetwork 中使用了 CNM 来完成网络功能， CNM 中主要有沙盒（sandbox）、端点（endpoint）和网络（network）3 种组件。
- 沙盒：一个沙盒包含了一个容器网络栈的信息。一个沙盒可以有多个端点和多个网络，沙盒可以对容器的接口、路由和 DNS 设置等进行管理，沙盒的实现可以是 Linux network namespace、FreeBSD Jail或者类似的机制
- 端点：一个端点可以加入一个沙盒和一个网络。一个端点只属于一个网络和一个沙盒，端点的实现可以是 veth pair、Open vSwitch 内部端口或者相似的设备
- 网络：一个网络是一组可以直接互相联通的端点。一个网络可以包含多个端点，网络的实现可以是Linux bridge、VLAN 等
bridge 模式
bridge 是默认的网络模式，为容器创建独立的网络命名空间，容器具有独立的网卡等所有的网络栈。使用该模式的所有容器都是连接到 docker0 这个网桥，
作为 虚拟交换机 使容器可以相互通信，但是由于宿主机的 IP 地址与容器 veth pair 的 IP 地址不在同一个网段，所以为了和宿主机以外的网络通信，
Docker 采用了端口绑定的方式，也就是通过 iptables 的 NAT，将宿主机上的端口流量转发到容器。
bridge 模式已经可以满足 Docker 容器最基本的使用需求了，但是其与外界通信时使用 NAT，增加了通信的复杂性，在复杂场景下使用会有限制。
$ docker network inspect bridge
# 输出如下 (节选部分信息)
[
{
"Name": "bridge",
"Scope": "local",
"Driver": "bridge",
"EnableIPv6": false,
"IPAM": {
"Driver": "default",
"Options": null,
"Config": [
{
"Subnet": "172.17.0.0/16",
"Gateway": "172.17.0.1"
}
]
},
"Containers": {
# 使用 bridge 网络的容器列表
},
}
]
通过上面的输出可以看到，虚拟网桥 的 IP 地址就是 bridge 网络类型的网关地址。
我们可以从输出的 Containers 容器列表中找一个容器，查看其网络类型和配置：
$ docker inspect 容器ID
# 输出如下 (节选部分信息)
[
...
"NetworkSettings": {
"Bridge": "",
"Gateway": "172.17.0.1",
"IPAddress": "172.17.0.4",
"Networks": {
"bridge": {
"Gateway": "172.17.0.1",
"IPAddress": "172.17.0.4",
}
}
...
]
通过上面的输出可以看到，虚拟网桥 的 IP 地址就是 bridge 网络类型的容器的网关地址。
实现机制
在 iptables 做了 DNAT 规则，实现端口转发功能:
# iptables 配置查看
$ iptables -t nat -vnL
# 输出如下
Chain PREROUTING (policy ACCEPT 37M packets, 2210M bytes)
...
0 0 DNAT tcp -- !docker0 * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 tcp dpt:8080 to:172.17.0.4:80
当容器需要将端口映射到宿主机时，Docker 会自动为该容器分配一个 IP 地址，同时新增一个 iptables 规则。
host 模式
容器不会获得一个独立的网络命名空间，而是和宿主机共用一个。 容器不会虚拟出自己的网卡，配置自己的IP等，而是直接使用宿宿主机的。 但是容器的其他方面，如文件系统、进程列表等还是和宿宿主机隔离的，容器对外界是完全开放的，能够访问到宿主机，就能访问到容器。
host 模式降低了容器与容器之间、容器与宿主机之间网络层面的隔离性，虽然有性能上的优势，但是引发了网络资源的竞争与冲突，因此适用于容器集群规模较小的场景。
启动一个网络类型为 host 的 Nginx 容器：
$ docker run -d --net host nginx
Unable to find image 'nginx:latest' locally
latest: Pulling from library/nginx
...
f202870092fc40bc08a607dddbb2770df9bb4534475b066f45ea35252d6e76e2
查看网络类型为 host 的容器列表：
$ docker network inspect host
# 输出如下 (节选部分信息)
[
{
"Name": "host",
"Scope": "local",
"Driver": "host",
"Internal": false,
"Attachable": false,
"Ingress": false,
"ConfigFrom": {
"Network": ""
},
"Containers": {
# 使用 host 网络的容器列表
"f202870092fc40bc08a607dddbb2770df9bb4534475b066f45ea35252d6e76e2": {
"Name": "frosty_napier",
"EndpointID": "7306a8e4103faf4edd081182f015fa9aa985baf3560f4a49b9045c00dc603190",
"MacAddress": "",
"IPv4Address": "",
"IPv6Address": ""
}
},
}
]
查看 Nginx 容器网络类型和配置：
$ docker inspect f202870092fc4
# 输出如下 (节选部分信息)
[
...
"NetworkSettings": {
"Bridge": "",
"Gateway": "",
"IPAddress": "",
"Networks": {
"host": {
"Gateway": "",
"IPAddress": "",
}
}
...
]
通过上面的输出可以看到，Nginx 容器使用的网络类型是 host，没有独立的 IP。
查看 Nginx 容器 IP 地址：
# 进入容器内部 shell
$ docker exec -it f202870092fc4 /bin/bash
# 安装 ip 命令
$ apt update && apt install -y iproute2
# 查看 IP 地址
$ ip a
# 输出如下
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
...
2: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default
...
10: eth0@if11: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
...
# 退出容器，查看宿主机 IP 地址
$ exit
$ ip a
# 输出如下
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
...
2: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default
...
10: eth0@if11: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
...
通过上面的输出可以看到，Nginx 容器内部并没有独立的 IP，而是使用了宿主机的 IP。
查看宿主机的端口监听状态：
$ sudo netstat -ntpl
# 输出如下
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program name
tcp 0 0 0.0.0.0:80 0.0.0.0:* LISTEN 1378/nginx: master
tcp6 0 0 :::80 :::* LISTEN 1378/nginx: master
通过上面的输出可以看到，监听 80 端口的进程为 nginx, 而非 docker-proxy。
none 模式
容器拥有自己的 Network Namespace，但是并不进行任何网络配置。也就意味着该容器没有网卡、IP、路由等信息，需要手动为容器添加网卡、配置 IP 等，
none 模式下的容器会完全隔离，容器中只有 lo 这个 loopback（回环网络）网卡用于进程通信。
none 模式为容器做了最少的网络设置，在没有网络配置的情况下，通过自定义配置容器的网络，提供了最高的灵活性。
启动一个网络类型为 host 的 Nginx 容器：
$ docker run -d --net none nginx
Unable to find image 'nginx:latest' locally
latest: Pulling from library/nginx
...
d2d0606b7d2429c224e61e06c348019b74cd47f0b8c85347a7cdb8f1e30dcf86
查看网络类型为 none 的容器列表：
$ docker network inspect none
# 输出如下 (节选部分信息)
[
{
"Name": "none",
"Scope": "local",
"Driver": "null",
"Internal": false,
"Attachable": false,
"Ingress": false,
"ConfigFrom": {
"Network": ""
},
"Containers": {
# 使用 none 网络的容器列表
"d2d0606b7d2429c224e61e06c348019b74cd47f0b8c85347a7cdb8f1e30dcf86": {
"Name": "hardcore_chebyshev",
"EndpointID": "b8ff645671518e608f403818a31b1db34d7fce66af60373346ea3ab673a4c6b2",
"MacAddress": "",
"IPv4Address": "",
"IPv6Address": ""
}
},
}
]
查看 Nginx 容器网络类型和配置：
$ docker inspect d2d0606b7d242
# 输出如下 (节选部分信息)
[
...
"NetworkSettings": {
"Bridge": "",
"Gateway": "",
"IPAddress": "",
"Networks": {
"none": {
"Gateway": "",
"IPAddress": "",
}
}
...
]
通过上面的输出可以看到，Nginx 容器使用的网络类型是 none，没有独立的 IP。
查看 Nginx 容器 IP 地址：
# 进入容器内部 shell
$ docker exec -it d2d0606b7d242 /bin/bash
# 访问公网链接
$ curl -I "https://www.docker.com"
curl: (6) Could not resolve host: www.docker.com
# 为什么会报错呢？ 这是因为当前容器没有网卡、IP、路由等信息，是完全独立的运行环境，所以没有办法访问公网链接。
# 查看 IP 地址
$ hostname -I
# 没有任何输出，该容器没有 IP 地址
查看宿主机的端口监听状态：
$ docker port d2d0606b7d242
或者
$ sudo netstat -ntpl | grep :80
# 没有任何输出，Nginx 进程运行在容器中，端口没有映射到宿主机
container 模式
与 host 模式类似，容器与指定的容器共享网络命名空间。这两个容器之间不存在网络隔离，但它们与宿主机以及其他的容器存在网络隔离。
该模式下的容器可以通过 localhost 来访问同一网络命名空间下的其他容器，传输效率较高，且节约了一定的网络资源。在一些特殊的场景中非常有用，例如 k8s 的 Pod。
其他模式
出于篇幅考虑，这里不再赘述其他网络模式，感兴趣的读者可以根据文章末尾的引用连接自行阅读。
网络驱动概述
- 当需要多个容器在同一台宿主机上进行通信时，使用
bridge - 当网络栈不应该与宿主机隔离，但是希望容器的其他方面被隔离时，使用
host - 当需要在不同宿主机上运行的容器进行通信时，使用
overlay - 当从虚拟机迁移或需要使容器看起来像物理宿主机时，使用
Macvlan, 每个容器都有一个唯一的 MAC 地址 - 当需要将 Docker 与专门的网络栈集成，使用
Third-party
Docker 和 iptables
如果在公网可以访问的服务器运行 Docker，需要对应的 iptables 规则来限制访问主机上的容器或其他服务。
在 Docker 规则之前添加 iptables 规则
Docker 安装了两个名为 DOCKER-USER 和 DOCKER 的自定义 iptables 链，确保传入的数据包始终先由这两个链进行检查。
# 可以通过该命令查看
$ iptables -L -n -v | grep -i docker
Docker 的所有 iptables 规则都被添加到 Docker 链中，不要手动修改此链 (可能会引发问题)。
如果需要添加在一些在 Docker 之前加载的规则，将它们添加到 DOCKER-USER 链中，这些规则应用于 Docker 自动创建的所有规则之前。
添加到 FORWARD 链中的规则在这些链之后进行检测，这意味着如果通过 Docker 公开一个端口，那么无论防火墙配置了什么规则，该端口都会被公开。
如果想让这些规则在通过 Docker 暴露端口时仍然适用，必须将这些规则添加到 DOCKER-USER 链中。
限制到 Docker 主机的连接
默认情况下，允许所有 外部 IP 连接 Docker 主机，为了只允许特定的 IP 或网络访问容器，在 DOCKER-USER 过滤器链的顶部插入一个规则。
例如，只允许 192.168.1.1 访问:
# 假设输入接口为 eth0
$ iptables -I DOCKER-USER -i eth0 ! -s 192.168.1.1 -j DROP
也可以允许来自源子网的连接，例如，允许 192.168.1.0/24 子网的用户访问:
# 假设输入接口为 eth0
$ iptables -I DOCKER-USER -i eth0 ! -s 192.168.1.0/24 -j DROP
阻止 Docker 操作 iptables
在 Docker 引擎的配置文件 /etc/docker/daemon.json 设置 iptables 的值为 false，但是最好不要修改，因为这很可能破坏 Docker 引擎的容器网络。
为容器设置默认绑定地址
默认情况下，Docker 守护进程将公开 0.0.0.0 地址上的端口，即主机上的任何地址。如果希望将该行为更改为仅公开内部 IP 地址上的端口，则可以使用 --ip 选项指定不同的IP地址。
集成到防火墙
如果运行的是 Docker 20.10.0 或更高版本，在系统上启用了 iptables, Docker 会自动创建一个名为 docker 的防火墙区域，
并将它创建的所有网络接口 (例如 docker0 ) 加入到 docker 区域，以允许无缝组网。
运行命令将 docker 接口从防火墙区域中移除:
firewall-cmd --zone=trusted --remove-interface=docker0 --permanent
firewall-cmd --reload
Reference
- Networking overview
- Networking tutorials
- Docker and iptables
- 容器Docker详解
- Introduction to Container Networking
- docker 容器网络方案：calico 网络模型
- Docker——容器与容器云
- Docker Networking
