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分享下 Kubernetes 社区资深成员与我的项目维护者「张磊」对于这个话题的思考。
你好，我是张磊。明天我和你分享的主题是：浅谈容器网络。
在后面解说容器根底时，我已经提到过一个 Linux 容器能看见的“网络栈”，实际上是被隔离在它本人的 Network Namespace 当中的。
而所谓“网络栈”，就包含了：网卡（Network Interface）、回环设施（Loopback Device）、路由表（Routing Table）和 iptables 规定。对于一个过程来说，这些因素，其实就形成了它发动和响应网络申请的根本环境。
须要指出的是，作为一个容器，它能够申明间接应用宿主机的网络栈（–net=host），即：不开启 Network Namespace，比方：
$ docker run –d –net=host --name nginx-host nginx在这种状况下，这个容器启动后，间接监听的就是宿主机的 80 端口。
像这样间接应用宿主机网络栈的形式，尽管能够为容器提供良好的网络性能，但也会不可避免地引入共享网络资源的问题，比方端口抵触。所以，在大多数状况下，咱们都心愿容器过程能应用本人 Network Namespace 里的网络栈，即：领有属于本人的 IP 地址和端口。
这时候，一个不言而喻的问题就是：[strong_begin]这个被隔离的容器过程，该如何跟其余 Network Namespace 里的容器过程进行交互呢？[strong_end]
为了了解这个问题，你其实能够把每一个容器看做一台主机，它们都有一套独立的“网络栈”。
如果你想要实现两台主机之间的通信，最间接的方法，就是把它们用一根网线连接起来；而如果你想要实现多台主机之间的通信，那就须要用网线，把它们连贯在一台交换机上。
在 Linux 中，可能起到虚构交换机作用的网络设备，是网桥（Bridge）。它是一个工作在数据链路层（Data Link）的设施，次要性能是依据 MAC 地址学习来将数据包转发到网桥的不同端口（Port）上。
当然，至于为什么这些主机之间须要 MAC 地址能力进行通信，这就是网络分层模型的基础知识了。不相熟这块内容的读者，能够通过这篇文章来学习一下。
而为了实现上述目标，Docker 我的项目会默认在宿主机上创立一个名叫 docker0 的网桥，但凡连贯在 docker0 网桥上的容器，就能够通过它来进行通信。
可是，咱们又该如何把这些容器“连贯”到 docker0 网桥上呢？
这时候，咱们就须要应用一种名叫 Veth Pair 的虚构设施了。
Veth Pair 设施的特点是：它被创立进去后，总是以两张虚构网卡（Veth Peer）的模式成对呈现的。并且，从其中一个“网卡”收回的数据包，能够间接呈现在与它对应的另一张“网卡”上，哪怕这两个“网卡”在不同的 Network Namespace 里。
这就使得 Veth Pair 经常被用作连贯不同 Network Namespace 的“网线”。
比方，当初咱们启动了一个叫作 nginx- 1 的容器：
$ docker run –d --name nginx-1 nginx而后进入到这个容器中查看一下它的网络设备：
# 在宿主机上
$ docker exec -it nginx-1 /bin/bash
# 在容器里
root@2b3c181aecf1:/# ifconfig
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> mtu 1500
inet 172.17.0.2 netmask 255.255.0.0 broadcast 0.0.0.0
inet6 fe80::42:acff:fe11:2 prefixlen 64 scopeid 0x20<link>
ether 02:42:ac:11:00:02 txqueuelen 0 (Ethernet)
RX packets 364 bytes 8137175 (7.7 MiB)
RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
TX packets 281 bytes 21161 (20.6 KiB)
TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING> mtu 65536
inet 127.0.0.1 netmask 255.0.0.0
inet6 ::1 prefixlen 128 scopeid 0x10<host>
loop txqueuelen 1000 (Local Loopback)
RX packets 0 bytes 0 (0.0 B)
RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
TX packets 0 bytes 0 (0.0 B)
TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
$ route
Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
default 172.17.0.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 eth0
172.17.0.0 0.0.0.0 255.255.0.0 U 0 0 0 eth0能够看到，这个容器里有一张叫作 eth0 的网卡，它正是一个 Veth Pair 设施在容器里的这一端。
通过 route 命令查看 nginx- 1 容器的路由表，咱们能够看到，这个 eth0 网卡是这个容器里的默认路由设施；所有对 172.17.0.0/16 网段的申请，也会被交给 eth0 来解决（第二条 172.17.0.0 路由规定）。
而这个 Veth Pair 设施的另一端，则在宿主机上。你能够通过查看宿主机的网络设备看到它，如下所示：
# 在宿主机上
$ ifconfig
...
docker0 Link encap:Ethernet HWaddr 02:42:d8:e4:df:c1
inet addr:172.17.0.1 Bcast:0.0.0.0 Mask:255.255.0.0
inet6 addr: fe80::42:d8ff:fee4:dfc1/64 Scope:Link
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:309 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:372 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0
RX bytes:18944 (18.9 KB) TX bytes:8137789 (8.1 MB)
veth9c02e56 Link encap:Ethernet HWaddr 52:81:0b:24:3d:da
inet6 addr: fe80::5081:bff:fe24:3dda/64 Scope:Link
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:288 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:371 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0
RX bytes:21608 (21.6 KB) TX bytes:8137719 (8.1 MB)
$ brctl show
bridge name bridge id STP enabled interfaces
docker0 8000.0242d8e4dfc1 no veth9c02e56通过 ifconfig 命令的输入，你能够看到，nginx- 1 容器对应的 Veth Pair 设施，在宿主机上是一张虚构网卡。它的名字叫作 veth9c02e56。并且，通过 brctl show 的输入，你能够看到这张网卡被“插”在了 docker0 上。
这时候，如果咱们再在这台宿主机上启动另一个 Docker 容器，比方 nginx-2：
$ docker run –d --name nginx-2 nginx
$ brctl show
bridge name bridge id STP enabled interfaces
docker0 8000.0242d8e4dfc1 no veth9c02e56
vethb4963f3你就会发现一个新的、名叫 vethb4963f3 的虚构网卡，也被“插”在了 docker0 网桥上。
这时候，如果你在 nginx- 1 容器里 ping 一下 nginx- 2 容器的 IP 地址（172.17.0.3），就会发现同一宿主机上的两个容器默认就是互相连通的。
[strong_begin]这其中的原理其实非常简单，我来解释一下。[strong_end]
当你在 nginx- 1 容器里拜访 nginx- 2 容器的 IP 地址（比方 ping 172.17.0.3）的时候，这个目标 IP 地址会匹配到 nginx- 1 容器里的第二条路由规定。能够看到，这条路由规定的网关（Gateway）是 0.0.0.0，这就意味着这是一条直连规定，即：但凡匹配到这条规定的 IP 包，应该通过本机的 eth0 网卡，通过二层网络间接发往目标主机。
而要通过二层网络达到 nginx- 2 容器，就须要有 172.17.0.3 这个 IP 地址对应的 MAC 地址。所以 nginx- 1 容器的网络协议栈，就须要通过 eth0 网卡发送一个 ARP 播送，来通过 IP 地址查找对应的 MAC 地址。
备注：ARP（Address Resolution Protocol），是通过三层的 IP 地址找到对应的二层 MAC 地址的协定。
咱们后面提到过，这个 eth0 网卡，是一个 Veth Pair，它的一端在这个 nginx- 1 容器的 Network Namespace 里，而另一端则位于宿主机上（Host Namespace），并且被“插”在了宿主机的 docker0 网桥上。
一旦一张虚构网卡被“插”在网桥上，它就会变成该网桥的“从设施”。从设施会被“剥夺”调用网络协议栈解决数据包的资格，从而“降级”成为网桥上的一个端口。而这个端口惟一的作用，就是接管流入的数据包，而后把这些数据包的“生杀大权”（比方转发或者抛弃），全副交给对应的网桥。
所以，在收到这些 ARP 申请之后，docker0 网桥就会表演二层交换机的角色，把 ARP 播送转发到其余被“插”在 docker0 上的虚构网卡上。这样，同样连贯在 docker0 上的 nginx- 2 容器的网络协议栈就会收到这个 ARP 申请，从而将 172.17.0.3 所对应的 MAC 地址回复给 nginx- 1 容器。
有了这个目标 MAC 地址，nginx- 1 容器的 eth0 网卡就能够将数据包收回去。
而依据 Veth Pair 设施的原理，这个数据包会立即呈现在宿主机上的 veth9c02e56 虚构网卡上。不过，此时这个 veth9c02e56 网卡的网络协议栈的资格曾经被“剥夺”，所以这个数据包就间接流入到了 docker0 网桥里。
docker0 解决转发的过程，则持续表演二层交换机的角色。此时，docker0 网桥依据数据包的目标 MAC 地址（也就是 nginx- 2 容器的 MAC 地址），在它的 CAM 表（即交换机通过 MAC 地址学习保护的端口和 MAC 地址的对应表）里查到对应的端口（Port）为：vethb4963f3，而后把数据包发往这个端口。
而这个端口，正是 nginx- 2 容器“插”在 docker0 网桥上的另一块虚构网卡，当然，它也是一个 Veth Pair 设施。这样，数据包就进入到了 nginx- 2 容器的 Network Namespace 里。
所以，nginx- 2 容器看到的状况是，它本人的 eth0 网卡上呈现了流入的数据包。这样，nginx- 2 的网络协议栈就会对申请进行解决，最初将响应（Pong）返回到 nginx-1。
以上，就是同一个宿主机上的不同容器通过 docker0 网桥进行通信的流程了。我把这个流程总结成了一幅示意图，如下所示：
须要留神的是，在理论的数据传递时，上述数据的传递过程在网络协议栈的不同档次，都有 Linux 内核 Netfilter 参加其中。所以，如果感兴趣的话，你能够通过关上 iptables 的 TRACE 性能查看到数据包的传输过程，具体方法如下所示：
# 在宿主机上执行
$ iptables -t raw -A OUTPUT -p icmp -j TRACE
$ iptables -t raw -A PREROUTING -p icmp -j TRACE通过上述设置，你就能够在 /var/log/syslog 里看到数据包传输的日志了。这一部分内容，你能够在课后联合 iptables 的相干常识进行实际，从而验证我和你分享的数据包传递流程。
相熟了 docker0 网桥的工作形式，你就能够了解，在默认状况下，被限度在 Network Namespace 里的容器过程，实际上是通过 Veth Pair 设施 + 宿主机网桥的形式，实现了跟同其余容器的数据交换。
与之相似地，当你在一台宿主机上，拜访该宿主机上的容器的 IP 地址时，这个申请的数据包，也是先依据路由规定达到 docker0 网桥，而后被转发到对应的 Veth Pair 设施，最初呈现在容器里。这个过程的示意图，如下所示：
同样地，当一个容器试图连贯到另外一个宿主机时，比方：ping 10.168.0.3，它收回的申请数据包，首先通过 docker0 网桥呈现在宿主机上。而后依据宿主机的路由表里的直连路由规定（10.168.0.0/24 via eth0)），对 10.168.0.3 的拜访申请就会交给宿主机的 eth0 解决。
所以接下来，这个数据包就会经宿主机的 eth0 网卡转发到宿主机网络上，最终达到 10.168.0.3 对应的宿主机上。当然，这个过程的实现要求这两台宿主机自身是连通的。这个过程的示意图，如下所示：
所以说，当你遇到容器连不通“外网”的时候，你都应该先试试 docker0 网桥能不能 ping 通，而后查看一下跟 docker0 和 Veth Pair 设施相干的 iptables 规定是不是有异样，往往就可能找到问题的答案了。
不过，在最初一个“Docker 容器连贯其余宿主机”的例子里，你可能曾经联想到了这样一个问题：如果在另外一台宿主机（比方：10.168.0.3）上，也有一个 Docker 容器。那么，咱们的 nginx- 1 容器又该如何拜访它呢？
这个问题，其实就是容器的“跨主通信”问题。
在 Docker 的默认配置下，一台宿主机上的 docker0 网桥，和其余宿主机上的 docker0 网桥，没有任何关联，它们相互之间也没方法连通。所以，连贯在这些网桥上的容器，天然也没方法进行通信了。
不过，万变不离其宗。
如果咱们通过软件的形式，创立一个整个集群“专用”的网桥，而后把集群里的所有容器都连贯到这个网桥上，不就能够互相通信了吗？
说得没错。
这样一来，咱们整个集群里的容器网络就会相似于下图所示的样子：
能够看到，构建这种容器网络的外围在于：咱们须要在已有的宿主机网络上，再通过软件构建一个笼罩在已有宿主机网络之上的、能够把所有容器连通在一起的虚构网络。所以，这种技术就被称为：Overlay Network（笼罩网络）。
而这个 Overlay Network 自身，能够由每台宿主机上的一个“非凡网桥”独特组成。比方，当 Node 1 上的 Container 1 要拜访 Node 2 上的 Container 3 的时候，Node 1 上的“非凡网桥”在收到数据包之后，可能通过某种形式，把数据包发送到正确的宿主机，比方 Node 2 上。而 Node 2 上的“非凡网桥”在收到数据包后，也可能通过某种形式，把数据包转发给正确的容器，比方 Container 3。
甚至，每台宿主机上，都不须要有一个这种非凡的网桥，而仅仅通过某种形式配置宿主机的路由表，就可能把数据包转发到正确的宿主机上。这些内容，我在前面的文章中会为你一一讲述。
总结
在明天这篇文章中，我次要为你介绍了在本地环境下，单机容器网络的实现原理和 docker0 网桥的作用。
这里的关键在于，容器要想跟外界进行通信，它收回的 IP 包就必须从它的 Network Namespace 里进去，来到宿主机上。
而解决这个问题的办法就是：为容器创立一个一端在容器里充当默认网卡、另一端在宿主机上的 Veth Pair 设施。
上述单机容器网络的常识，是前面咱们解说多机容器网络的重要根底，请务必认真消化了解。
思考题
只管容器的 Host Network 模式有一些毛病，然而它性能好、配置简略，并且易于调试，所以很多团队会间接应用 Host Network。那么，如果要在生产环境中应用容器的 Host Network 模式，你感觉须要做哪些额定的筹备工作呢？