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Docker技术知识:Docker网络原理

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安装Docker时,它会自动创建三个网络,bridge(创建容器默认连接到此网络)、 none 、host

网络模式 简介
Host 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。
Bridge 此模式会为每一个容器分配、设置IP等,并将容器连接到一个docker0虚拟网桥,通过docker0网桥以及Iptables nat表配置与宿主机通信。
None 该模式关闭了容器的网络功能。
Container 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。
自定义网络

一、默认网络

当你安装Docker时,它会自动创建三个网络。你可以使用以下docker network ls命令列出这些网络:

[root@server1 ~]# docker network ls
NETWORK ID          NAME                DRIVER              SCOPE
0147b8d16c64        bridge              bridge              local
2da931af3f0b        host                host                local
63d31338bcd9        none                null                local

Docker内置这三个网络,运行容器时,你可以使用该--network标志来指定容器应连接到哪些网络。

该bridge网络代表docker0所有Docker安装中存在的网络。除非你使用该docker run --network=选项指定,否则Docker守护程序默认将容器连接到此网络。

我们在使用docker run创建Docker容器时,可以用 --net 选项指定容器的网络模式,Docker可以有以下4种网络模式:

  • host模式:使用 --net=host 指定。
  • none模式:使用 --net=none 指定。
  • bridge模式:使用 --net=bridge 指定,默认设置。
  • container模式:使用 --net=container:NAME_or_ID 指定。

下面分别介绍一下Docker的各个网络模式。

1.1 Host模式

相当于Vmware中的桥接模式,与宿主机在同一个网络中,但没有独立IP地址。

众所周知,Docker使用了Linux的Namespaces技术来进行资源隔离,如PID Namespace隔离进程,Mount Namespace隔离文件系统,Network Namespace隔离网络等。

一个Network Namespace提供了一份独立的网络环境,包括网卡、路由、Iptable规则等都与其他的Network Namespace隔离。一个Docker容器一般会分配一个独立的Network Namespace。但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。

例如,我们在172.25.6.1/24的机器上用host模式启动一个ubuntu容器

[root@server1 ~]# docker run -it --network=host ubuntu

可以看到,容器的网络使用的时宿主机的网络,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。

1.2 Container模式

在理解了host模式后,这个模式也就好理解了。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。

1.3 None模式

该模式将容器放置在它自己的网络栈中,但是并不进行任何配置。实际上,该模式关闭了容器的网络功能,在以下两种情况下是有用的:容器并不需要网络(例如只需要写磁盘卷的批处理任务)。

overlay

在docker1.7代码进行了重构,单独把网络部分独立出来编写,所以在docker1.8新加入的一个overlay网络模式。Docker对于网络访问的控制也是在逐渐完善的。

1.4 Bridge模式

相当于Vmware中的Nat模式,容器使用独立network Namespace,并连接到docker0虚拟网卡(默认模式)。通过docker0网桥以及Iptables nat表配置与宿主机通信;bridge模式是Docker默认的网络设置,此模式会为每一个容器分配Network Namespace、设置IP等,并将一个主机上的Docker容器连接到一个虚拟网桥上。下面着重介绍一下此模式。

二、Bridge模式

2.1 Bridge模式的拓扑

当Docker server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。接下来就要为容器分配IP了,Docker会从RFC1918所定义的私有IP网段中,选择一个和宿主机不同的IP地址和子网分配给docker0,连接到docker0的容器就从这个子网中选择一个未占用的IP使用。如一般Docker会使用172.17.0.0/16这个网段,并将172.17.0.1/16分配给docker0网桥(在主机上使用ifconfig命令是可以看到docker0的,可以认为它是网桥的管理接口,在宿主机上作为一块虚拟网卡使用)。单机环境下的网络拓扑如下,主机地址为10.10.0.186/24。

2.2 Docker:网络模式详解

Docker完成以上网络配置的过程大致是这样的:

(1)在主机上创建一对虚拟网卡veth pair设备。veth设备总是成对出现的,它们组成了一个数据的通道,数据从一个设备进入,就会从另一个设备出来。因此,veth设备常用来连接两个网络设备。

(2)Docker将veth pair设备的一端放在新创建的容器中,并命名为eth0。另一端放在主机中,以veth65f9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。

brctl show
bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
docker0        8000.02425f21c208          no

(3)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。

# 运行容器
[root@server1 ~]# docker run --name=nginx_bridge --net=bridge -p 80:80 -d nginx        
9582dbec7981085ab1f159edcc4bf35e2ee8d5a03984d214bce32a30eab4921a
# 查看容器
[root@server1 ~]# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE          COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS                NAMES
9582dbec7981        nginx          "nginx -g 'daemon ..."   3 seconds ago       Up 2 seconds        0.0.0.0:80->80/tcp   nginx_bridge

# 查看容器网络;
[root@server1 ~]# docker inspect 9582dbec7981
"Networks": {
    "bridge": {
        "IPAMConfig": null,
        "Links": null,
        "Aliases": null,
        "NetworkID": "9e017f5d4724039f24acc8aec634c8d2af3a9024f67585fce0a0d2b3cb470059",
        "EndpointID": "81b94c1b57de26f9c6690942cd78689041d6c27a564e079d7b1f603ecc104b3b",
        "Gateway": "172.17.0.1",
        "IPAddress": "172.17.0.2",
        "IPPrefixLen": 16,
        "IPv6Gateway": "",
        "GlobalIPv6Address": "",
        "GlobalIPv6PrefixLen": 0,
        "MacAddress": "02:42:ac:11:00:02"
    }
}

# 查看网桥信息,会看到有有一个容器
[root@server1 ~]# docker network inspect bridge
[
    {
        "Name": "bridge",
        "Id": "9e017f5d4724039f24acc8aec634c8d2af3a9024f67585fce0a0d2b3cb470059",
        "Created": "2019-06-09T23:20:28.061678042-04:00",
        "Scope": "local",
        "Driver": "bridge",
        "EnableIPv6": false,
        "IPAM": {
            "Driver": "default",
            "Options": null,
            "Config": [
                {
                    "Subnet": "172.17.0.0/16"
                }
            ]
        },
        "Internal": false,
        "Attachable": false,
        "Ingress": false,
        "Containers": {
            "9582dbec7981085ab1f159edcc4bf35e2ee8d5a03984d214bce32a30eab4921a": {
                "Name": "nginx_bridge",
                "EndpointID": "81b94c1b57de26f9c6690942cd78689041d6c27a564e079d7b1f603ecc104b3b",
                "MacAddress": "02:42:ac:11:00:02",
                "IPv4Address": "172.17.0.2/16",
                "IPv6Address": ""
            }
        },
        "Options": {
            "com.docker.network.bridge.default_bridge": "true",
            "com.docker.network.bridge.enable_icc": "true",
            "com.docker.network.bridge.enable_ip_masquerade": "true",
            "com.docker.network.bridge.host_binding_ipv4": "0.0.0.0",
            "com.docker.network.bridge.name": "docker0",
            "com.docker.network.driver.mtu": "1500"
        },
        "Labels": {}
    }
]

2.3 bridge模式下容器的通信

在bridge模式下,连在同一网桥上的容器可以相互通信(若出于安全考虑,也可以禁止它们之间通信,方法是在DOCKER_OPTS变量中设置--icc=false,这样只有使用--link才能使两个容器通信)。

Docker可以开启容器间通信(意味着默认配置--icc=false),也就是说,宿主机上的所有容器可以不受任何限制地相互通信,这可能导致拒绝服务攻击。进一步地,Docker可以通过--ip_forward--iptables两个选项控制容器间、容器和外部世界的通信。

容器也可以与外部通信,我们看一下主机上的Iptable规则,可以看到这么一条

-A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o docker0 -j MASQUERADE

这条规则会将源地址为172.17.0.0/16的包(也就是从Docker容器产生的包),并且不是从docker0网卡发出的,进行源地址转换,转换成主机网卡的地址。这么说可能不太好理解,举一个例子说明一下。假设主机有一块网卡为eth0,IP地址为10.10.101.105/24,网关为10.10.101.254。从主机上一个IP为172.17.0.1/16的容器中ping百度(180.76.3.151)。IP包首先从容器发往自己的默认网关docker0,包到达docker0后,也就到达了主机上。然后会查询主机的路由表,发现包应该从主机的eth0发往主机的网关10.10.105.254/24。接着包会转发给eth0,并从eth0发出去(主机的ip_forward转发应该已经打开)。这时候,上面的Iptable规则就会起作用,对包做SNAT转换,将源地址换为eth0的地址。这样,在外界看来,这个包就是从10.10.101.105上发出来的,Docker容器对外是不可见的。

那么,外面的机器是如何访问Docker容器的服务呢?我们首先用下面命令创建一个含有web应用的容器,将容器的80端口映射到主机的80端口。

docker run --name=nginx_bridge --net=bridge -p 80:80 -d nginx

然后查看Iptable规则的变化,发现多了这样一条规则:

-A DOCKER ! -i docker0 -p tcp -m tcp --dport 80 -j DNAT --to-destination 172.17.0.2:80

此条规则就是对主机eth0收到的目的端口为80的tcp流量进行DNAT转换,将流量发往172.17.0.2:80,也就是我们上面创建的Docker容器。所以,外界只需访问10.10.101.105:80就可以访问到容器中的服务。

除此之外,我们还可以自定义Docker使用的IP地址、DNS等信息,甚至使用自己定义的网桥,但是其工作方式还是一样的。