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Docker Network - 網路模型

Docker Network - 網路模型

前言

隨者 Kubernetes 近年風潮崛起, 容器(Container)的概念顯然已變成一個標配,特別是針對管理平台相關的職缺,過去職缺對於面試者的要求,可能是聽過或摸過 Docker,而近年則是 Docker/Container 為主要需求,直到如今,職缺對於 Kubernetes 的要求則取代了過往 Docker 的地位。根據我的觀察,在矽谷我所看到的工作職缺可謂滿滿的 Kubernetes。

Kubernetes 作為一個容器管理平台,其架構非常複雜,相對於過往單節點 Docker 的使用情境來說,學習門檻高了不少,這部份包含了容器使用,儲存空間使用以及網路使用。

儘管如此, Kubernetes 與 Docker 還是有很多相似之處,掌握好 Docker 的實作細節對於學習與理解 Kubernetes 還是有十分多的幫助,特別是在容器網路(Container Networking)這一塊很多基本細節是完全一致的。

舉例來說,Kubernetes CNI 內常常使用的 bridge CNI 其實運作概念跟 docker run --network=bridge 是完全一樣的。

因此我在本篇文章中,將會為大家帶來 Docker 的幾種網路模型的介紹。

相關程式碼都可以於這邊找到 technologynoteniu/bloglab-source code

使用

使用 docker 指令創建容器時,我們可以透過 --network 該參數來指定想要創建的網路模型,這邊會針對下列幾種介紹其概念,架構以及用途。

  1. None
  2. Host
  3. Bridge
  4. Contaienr:$ID

None

None 這個參數的意思就是告訴 Docker Engine 不要幫我管理任何任何網路功能,只要建立一個隔離網路空間(Network namespace)就好。

範例指令

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$ docker run --network=none -d --name none hwchiu/netutils
$ docker exec none ifconfig -a
lo Link encap:Local Loopback
inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0
UP LOOPBACK RUNNING MTU:65536 Metric:1
RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:1000
RX bytes:0 (0.0 B) TX bytes:0 (0.0 B)

在我們的範例當中可以看到,預設就只有一個 lo(loopback) 的介面,沒有其他任何網路卡介面,所以這個 container 也沒有對外上網的能力。

網路環境觀察

這邊用兩張不同視角來看待這個行為,由於本篇文章都會採用相同的概念去解讀不同網路模型,因此這邊詳細介紹兩種視角的概念。

圖左:這邊想要介紹的是以系統底層的角度去觀察網路,中間的灰色線將其分為上半部分的 UserSpace, 以及下半部分的 Kernel Space。
本範例中下圖會有不同顏色變化,代表不同的網路空間,每個網路空間彼此網路隔離。

圖右:這邊提供一個比較簡略的介紹,主要會從使用者的角度去觀察,由圖例來說明網路元件的關係上有什麼變化。

在瞭解上述概念後,我們再來看一下如何去理解這張圖片:

圖左: 當創建一個全新的 Container 後,系統會幫我們在 Kernel 內創建一個全新的網路空間(黃色區塊)來達到網路隔離的效果。不過因為我們沒有對這個隔離環境做任何設定,所以這個網路空間中只會有一個 lo 的網卡。

至於淺藍色的部份則代表著系統原先的網路空間,在此假設已經存在預設網卡 eth0

圖右: 系統中產生了一個全新的 Container, 但是這個 Container 跟原生主機沒有任何互動,網路關係上就是 毫無關係

The different aspect of network namespace

使用情境

想要開發網路模型,或想要研究 Docker 網路,以及想要開發 CNI 的人都適合用這種模式創建乾淨網路,然後開始透過各種方式讓其能夠上網。

Host

Host 這個參數的意思就是告訴 Docker,請不要幫我創造 network namespace,我不需要網路隔離,和宿主機共用相同的網路模型即可。

共用內容包含了 網卡,路由表,防火牆 … 等

範例指令

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$ docker run --network=host -d --name host hwchiu/netutils
$ docker exec -it host ip link
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: ens5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 9001 qdisc mq state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
link/ether 0e:e5:e9:25:d8:41 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN mode DEFAULT group default
link/ether 02:42:71:98:4c:2a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

$ ip link
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: ens5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 9001 qdisc mq state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
link/ether 0e:e5:e9:25:d8:41 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN mode DEFAULT group default
link/ether 02:42:71:98:4c:2a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

透過上述指令的創造,可以發現該 container 內所看到的網卡資訊與外部主機的內容是完全一樣的,除了使用 ip link外,其他的指令如 ip addr, ifconfig, iptables-save, ipvsadm 等都會看到相同內容。

network port 都會共用,因此如果外面已經有服務使用 port 80, 你就不能再跑一個 port 80 於相同的 address 上。

網路環境觀察

圖左: 當創建一個全新的 Container 後,我們不需要任何網路隔離功能,因此 Kernel 內並沒有任何新的網路空間被創造。我們的 Container 會直接使用預設網路空間內的所有網路資源,譬如網卡 eth0

圖右: 系統中產生了一個全新的 Container,這個 Container 跟原生主機共用網路空間,因此 Container 看到的網路環境會與宿主機是完全一致。

使用情境

  1. 想要直接存取 Container,不希望封包會被其他路徑處理
    a. 網路效能與存取本機相同
  2. 特別注意 Port Number 的使用,若啟用相同服務時就很容易發生衝突
  3. 容器需要使用特殊硬體資源,但掛載到容器導致相對麻煩時,我們則會使用這種方式共用宿主機的資源
  4. 容器本身會需要對宿主機的網路環境進行操作或監控時

Bridge

Bridge 這個參數的意思就是告訴 Docker 請幫我創造全新的 network namespace,然後我想要透過 Linux Bridge 來與原生網路有互動的能力

這部份先忽略 iptables 的任何規則

這個模型也是 Docker 中預設的網路模型,會幫你執行下列步驟:

  1. 你於容器內創建一張網卡,並且指派相關的 IP addresses
  2. 於主機創建一個 Linux Bridge
  3. 透過 veth 幫你把 container 與 主機 這兩個不同的網路空間給串連一起

veth 概念複雜,在此暫時不探討太多,只要知道是一個特殊的方式來串連不同網路空間。

範例指令

下述的指令比較複雜,首先我們會先創建一個使用 bridge 模型的 container。

然後我們可以透過 ip addr 觀察到裡面有兩張網卡,分別是 lo 以及 eth0, 這邊要注意的是 eth0 後面有一個數字 183,這個數字跟 veth 的概念有關,不過請容我在此先略過。

接者我們到主機方面去呼叫 ip link 然後用 183 來搜尋,會發現系統上有一個網路介面跟 183 有關係。

最後我們透過 brctl 工具可以發現系統上有一個 Linux Bridge 叫做 docker0,而剛剛發現的網卡正是被綁定在這個 docker0 當中。

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$ docker run --network=bridge -d --name bridge hwchiu/netutils

$ docker exec bridge ip addr
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
182: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
link/ether 02:42:ac:11:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0
valid_lft forever preferred_lft forever
$ ip link | grep 183
183: [email protected]: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue master docker0 state UP mode DEFAULT group default

$ brctl show | grep veth980af09
docker0 8000.024271984c2a no veth980af09

網路環境觀察

圖左: 這個架構比較複雜,分成幾個角度來看:

  1. 容器創造後,會於自己的網路空間(黃色區塊)內額外創造一張新的網卡 eth0,因此,網路空間內就會有兩張網卡,分別是 lo 以及 eth0
  2. 外部主機的預設網路空間(水藍色區塊)中,會創建一個全新的 Linux Bridgedocker0,並且透過 veth 的機制與 Container 內的 eth0 串接起來

veth 概念複雜,在此暫時不探討太多,只要知道是一個特殊的方式來串連不同網路空間。

圖右:系統中除了產生 Container 之外,還會產生一個全新的 Linux Bridge,並且透過 veth 的方式將 Linux Bridge 與 Container 串連一起。

如果這時候我們再額外建立一個新的 Container(粉色區塊),那結果會如下圖

  1. 全新的 Contaienr 會創造一個新的網路空間(綠色區塊),並且設定好網路介面。
  2. 因為當前系統上已經有 docker0 可以使用,因此 Docker 不會創建新的 Bridge 來橋接 Container
  3. 透過 veth 將新的網路空間(綠色區塊)與外部主機的網路空間(水藍色區塊)串連起來
  4. 從右邊圖片來看,系統上有愈來愈多的 veth 網卡,這些網卡其實都連接到不同的 Container

使用情境

  • Docker 預設網路模型,能夠對外上網

    需要與 iptables 合作來達到存取外網,這篇文章先跳過 iptables 部分

  • Container 之間可以透過 IP 的方式互通
  • 對網路沒有要求,單節點彼此能通就好

Container

Container:$ID 這個參數的意思就是告訴 Docker 不要幫我創造新的網路空間,取而代之,使用現有的 Container 的網路空間,和它共處於相同的網路環境中。因此,這兩個 Container 將會看到一樣的網路介面、路由表 … 等網路相關資訊。

範例指令

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$ docker run --network=container:$(docker ps --filter name=bridge -q) -d --name co_container hwchiu/netutils

$ docker exec co_container ifconfig
eth0 Link encap:Ethernet HWaddr 02:42:ac:11:00:02
inet addr:172.17.0.2 Bcast:172.17.255.255 Mask:255.255.0.0
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:17 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0
RX bytes:1366 (1.3 KB) TX bytes:0 (0.0 B)

lo Link encap:Local Loopback
inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0
UP LOOPBACK RUNNING MTU:65536 Metric:1
RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:1000
RX bytes:0 (0.0 B) TX bytes:0 (0.0 B)

$ docker exec bridge ifconfig
eth0 Link encap:Ethernet HWaddr 02:42:ac:11:00:02
inet addr:172.17.0.2 Bcast:172.17.255.255 Mask:255.255.0.0
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:17 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:0
RX bytes:1366 (1.3 KB) TX bytes:0 (0.0 B)

lo Link encap:Local Loopback
inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0
UP LOOPBACK RUNNING MTU:65536 Metric:1
RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:1000
RX bytes:0 (0.0 B) TX bytes:0 (0.0 B)

可以看到創建後,這兩個容器內所看到的網卡內容都會一模一樣。

網路環境觀察

圖左: 這個架構比較複雜,分成幾個角度來看:

  1. 原本的容器(淺藍色)以 Bridge 模式創立,因此系統會產生 bridge 環境所使用到的所有資源
  2. 接著新的容器(粉紅色)以共享網路的方式創立,新容器要掛載到藍色容器的網路空間中,所以不會有新的網路空間,會共享藍色容器的網路空間(黃色區塊),包含 eth0, lo

圖右: 系統中產生 Container 後,會直接與目標 Container 共享網路空間,因此會看到這兩個 Container 共享同一張網卡 eth0。

如果本來的 Container 是 None, 那這種情況就是兩個人一起 None,簡而言之就是共享網路環境而已。

使用情境

  • 相同網路空間內的容器因為共享 lo,所以可以使用 localhost 來存取彼此服務
  • 不同容器有存取需求,可以透過此方式享受到更快的網路存取速度
  • Kubernetes 的 Pods 基於這個模型去實作,所以 Kubernetes Pod 裡面可以有多個 Containers 且彼此可以使用 localhost 來互相存取彼此的服務。

結論

本篇文章跟大家介紹了 Docker 的基本模型,並沒有涉及太多底層的技術細節,從不同的網路環境來認識這些模型的差異,同時我們也比較每種環境的使用時機,讓各位對於這些網路模型有更多認識。

這些虛擬網路環境其實都和我們時刻相處,瞭解這些網路架構的不同也會有助於思考整套系統的架構。

個人資訊

我目前於 Hiskio 平台上面有開設 Kubernetes 相關課程,歡迎有興趣的人參考並分享,裡面有我從底層到實戰中對於 Kubernetes 的各種想法

組合包
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疑難雜症除錯篇
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基礎概念
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