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重磅干貨，第一時(shí)間送達(dá)
來(lái)源：分布式實(shí)驗(yàn)室
鏈接：https://iximiuz.com/en/posts/container-networking-is-simple/

使用容器總是感覺(jué)像使用魔法一樣。對(duì)于那些理解底層原理的人來(lái)說(shuō)容器很好用，但是對(duì)于不理解的人來(lái)說(shuō)就是個(gè)噩夢(mèng)。很幸運(yùn)的是，我們已經(jīng)研究容器技術(shù)很久了，甚至成功揭秘容器只是隔離并受限的Linux進(jìn)程，運(yùn)行容器并不需要鏡像，以及另一個(gè)方面，構(gòu)建鏡像需要運(yùn)行一些容器。

現(xiàn)在是時(shí)候解決容器網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題了。或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，單主機(jī)容器網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。本文會(huì)回答這些問(wèn)題：

如何虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源，讓容器認(rèn)為自己擁有獨(dú)占網(wǎng)絡(luò)？
如何讓容器們和平共處，之間不會(huì)互相干擾，并且能夠互相通信？
從容器內(nèi)部如何訪問(wèn)外部世界（比如，互聯(lián)網(wǎng)）？
從外部世界如何訪問(wèn)某臺(tái)機(jī)器上的容器呢（比如，端口發(fā)布）？

最終結(jié)果很明顯，單主機(jī)容器網(wǎng)絡(luò)是已知的Linux功能的簡(jiǎn)單組合：

網(wǎng)絡(luò)命名空間（namespace）
虛擬Ethernet設(shè)備（veth）
虛擬網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（網(wǎng)橋）
IP路由和網(wǎng)絡(luò)地址翻譯（NAT）

并且不需要任何代碼就可以讓這樣的網(wǎng)絡(luò)魔法發(fā)生……

前提條件

任意Linux發(fā)行版都可以。本文的所有例子都是在vagrant CentOS 8的虛擬機(jī)上執(zhí)行的：

$ vagrant init centos/8
$ vagrant up
$ vagrant ssh

[vagrant@localhost ~]$ uname -a
Linux localhost.localdomain 4.18.0-147.3.1.el8_1.x86_64

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文使用容器化解決方案（比如，Docker或者Podman）。我們會(huì)重點(diǎn)介紹基本概念，并使用最簡(jiǎn)單的工具來(lái)達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。

network命名空間隔離容器

Linux網(wǎng)絡(luò)棧包括哪些部分？顯然，是一系列網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。還有別的嗎？可能還包括一系列的路由規(guī)則。并且不要忘記，netfilter hook，包括由iptables規(guī)則定義的。

我們可以快速創(chuàng)建一個(gè)并不復(fù)雜的腳本inspect-net-stack.sh：

#!/usr/bin/env bash
echo "> Network devices"
ip link

echo -e "\n> Route table"
ip route

echo -e "\n> Iptables rules"
iptables --list-rules

在運(yùn)行腳本前，讓我們修改下iptable rule：

$ sudo iptables -N ROOT_NS

這之后，在機(jī)器上執(zhí)行上面的腳本，輸出如下：

$ sudo ./inspect-net-stack.sh
    > Network devices
    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: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP mode DEFAULT group default qlen 1000 link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    > Route table
    default via 10.0.2.2 dev eth0 proto dhcp metric 100
    10.0.2.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.2.15 metric 100
    > Iptables rules
    -P INPUT ACCEPT
    -P FORWARD ACCEPT
    -P OUTPUT ACCEPT
    -N ROOT_NS

我們對(duì)這些輸出感興趣，因?yàn)橐_保即將創(chuàng)建的每個(gè)容器都有各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)棧。

你可能已經(jīng)知道了，用于容器隔離的一個(gè)Linux命名空間是網(wǎng)絡(luò)命名空間（network namespace）。從man ip-netns可以看到，“網(wǎng)絡(luò)命名空間是網(wǎng)絡(luò)棧邏輯上的另一個(gè)副本，它有自己的路由，防火墻規(guī)則和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。”為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，這是本文使用的唯一的命名空間。我們并沒(méi)有創(chuàng)建完全隔離的容器，而是將范圍限制在網(wǎng)絡(luò)棧上。

創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)命名空間的一種方法是ip工具——是iproute2的一部分：

$ sudo ip netns add netns0
$ ip netns
netns0

如何使用剛才創(chuàng)建的命名空間呢？一個(gè)很好用的命令nsenter。進(jìn)入一個(gè)或多個(gè)特定的命名空間，然后執(zhí)行指定的腳本：

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 bash
     # 新建的bash進(jìn)程在netns0里
$ sudo ./inspect-net-stack.sh
    > Network devices 1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    > Route table
    > Iptables rules
    -P INPUT ACCEPT
    -P FORWARD ACCEPT
    -P OUTPUT ACCEPT

從上面的輸出可以清楚地看到bash進(jìn)程運(yùn)行在netns0命名空間，這時(shí)看到的是完全不同的網(wǎng)絡(luò)棧。這里沒(méi)有路由規(guī)則，沒(méi)有自定義的iptables chain，只有一個(gè)loopback的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

使用虛擬的Ethernet設(shè)備（veth）將容器連接到主機(jī)上

如果我們無(wú)法和某個(gè)專有的網(wǎng)絡(luò)棧通信，那么它看上去就沒(méi)什么用。幸運(yùn)的是，Linux提供了好用的工具——虛擬Ethernet設(shè)備。從man veth可以看到，“veth設(shè)備是虛擬Ethernet設(shè)備。他們可以作為網(wǎng)絡(luò)命名空間之間的通道（tunnel），從而創(chuàng)建連接到另一個(gè)命名空間里的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的橋梁，但是也可以作為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用。”

虛擬Ethernet設(shè)備通常都成對(duì)出現(xiàn)。不用擔(dān)心，先看一下創(chuàng)建的腳本：

$ sudo ip link add veth0 type veth peer name ceth0

用這條簡(jiǎn)單的命令，我們就可以創(chuàng)建一對(duì)互聯(lián)的虛擬Ethernet設(shè)備。默認(rèn)選擇了veth0和ceth0這兩個(gè)名稱。

$ 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: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
5: ceth0@veth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
link/ether 66:2d:24:e3:49:3f brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
6: veth0@ceth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
link/ether 96:e8:de:1d:22:e0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

創(chuàng)建的veth0和ceth0都在主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)棧（也稱為root網(wǎng)絡(luò)命名空間）上。將netns0命名空間連接到root命名空間，需要將一個(gè)設(shè)備留在root命名空間，另一個(gè)挪到netns0里：

$ sudo ip link set ceth0 netns netns0
    # 列出所有設(shè)備，可以看到ceth0已經(jīng)從root棧里消失了
   $ 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: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
   link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
   6: veth0@if5: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 96:e8:de:1d:22:e0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netns netns0

一旦啟用設(shè)備并且分配了合適的IP地址，其中一個(gè)設(shè)備上產(chǎn)生的包會(huì)立刻出現(xiàn)在其配對(duì)設(shè)備里，從而連接起兩個(gè)命名空間。從root命名空間開(kāi)始：

$ sudo ip link set veth0 up
$ sudo ip addr add 172.18.0.11/16 dev veth0

然后是netns0：

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
$ ip link set lo up
$ ip link set ceth0 up
$ ip addr add 172.18.0.10/16 dev ceth0
$ 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
5: ceth0@if6: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
link/ether 66:2d:24:e3:49:3f brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

檢查連通性：

# 在netns0里ping root的 veth0
$ ping -c 2 172.18.0.11
PING 172.18.0.11 (172.18.0.11) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 172.18.0.11: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.038 ms
64 bytes from 172.18.0.11: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.040 ms
--- 172.18.0.11 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 58ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.038/0.039/0.040/0.001 ms
     # 離開(kāi) netns0
   $ exit
      # 在root命名空間里ping ceth0
      $ ping -c 2 172.18.0.10
      PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data.
      64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.073 ms
      64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.046 ms
      --- 172.18.0.10 ping statistics ---
      2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 3ms
      rtt min/avg/max/mdev = 0.046/0.059/0.073/0.015 ms

同時(shí)，如果嘗試從netns0命名空間訪問(wèn)其他地址，也同樣可以成功：

# 在 root 命名空間
   $ ip addr show dev eth0
   2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
    link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.0.2.15/24 brd 10.0.2.255 scope global dynamic noprefixroute eth0
  valid_lft 84057sec preferred_lft 84057sec
    inet6 fe80::5054:ff:fee3:2777/64 scope link
     valid_lft forever preferred_lft forever
    # 記住這里IP是10.0.2.15
    $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
    # 嘗試ping主機(jī)的eth0
    $ ping 10.0.2.15
    connect: Network is unreachable
    # 嘗試連接外網(wǎng)
    $ ping 8.8.8.8
    connect: Network is unreachable

這也很好理解。在netns0路由表里沒(méi)有這類(lèi)包的路由。唯一的entry是如何到達(dá)172.18.0.0/16網(wǎng)絡(luò)：

# 在netns0命名空間:
$ ip route
172.18.0.0/16 dev ceth0 proto kernel scope link src 172.18.0.10

Linux有好幾種方式建立路由表。其中一種是直接從網(wǎng)絡(luò)接口上提取路由。記住，命名空間創(chuàng)建后， netns0里的路由表是空的。但是隨后我們添加了ceth0設(shè)備并且分配了IP地址172.18.0.0/16。因?yàn)槲覀兪褂玫牟皇呛?jiǎn)單的IP地址，而是地址和子網(wǎng)掩碼的組合，網(wǎng)絡(luò)棧可以從其中提取出路由信息。目的地是172.18.0.0/16的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)包都會(huì)通過(guò)ceth0設(shè)備。但是其他包會(huì)被丟棄。類(lèi)似的，root命名空間也有了個(gè)新的路由：

# 在root命名空間: 
    $ ip route 
    # ... 忽略無(wú)關(guān)行 ... 
    172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11

這里，就可以回答第一個(gè)問(wèn)題了。我們了解了如何隔離，虛擬化并且連接Linux網(wǎng)絡(luò)棧。

使用虛擬網(wǎng)絡(luò)switch（網(wǎng)橋）連接容器

容器化思想的驅(qū)動(dòng)力是高效的資源共享。所以，一臺(tái)機(jī)器上只運(yùn)行一個(gè)容器并不常見(jiàn)。相反，最終目標(biāo)是盡可能地在共享的環(huán)境上運(yùn)行更多的隔離進(jìn)程。因此，如果按照上述veth方案，在同一臺(tái)主機(jī)上放置多個(gè)容器的話會(huì)發(fā)生什么呢？讓我們嘗試添加第二個(gè)容器。

# 從 root 命名空間
    $ sudo ip netns add netns1
    $ sudo ip link add veth1 type veth peer name ceth1
    $ sudo ip link set ceth1 netns netns1
    $ sudo ip link set veth1 up
    $ sudo ip addr add 172.18.0.21/16 dev veth1
    $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1
    $ ip link set lo up
    $ ip link set ceth1 up
    $ ip addr add 172.18.0.20/16 dev ceth1

檢查連通性：

# 從netns1無(wú)法連通root 命名空間!
    $ ping -c 2 172.18.0.21
    PING 172.18.0.21 (172.18.0.21) 56(84) bytes of data.
    From 172.18.0.20 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
    From 172.18.0.20 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable
    --- 172.18.0.21 ping statistics ---
    2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 55ms pipe 2
    # 但是路由是存在的!
    $ ip route
    172.18.0.0/16 dev ceth1 proto kernel scope link src 172.18.0.20
    # 離開(kāi) `netns1`
    $ exit
    # 從 root 命名空間無(wú)法連通`netns1`
    $ ping -c 2 172.18.0.20
    PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data.
    From 172.18.0.11 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
    From 172.18.0.11 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable

--- 172.18.0.20 ping statistics ---
2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 23ms pipe 2
    # 從netns0可以連通`veth1`
    $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
    $ ping -c 2 172.18.0.21
    PING 172.18.0.21 (172.18.0.21) 56(84) bytes of data.
    64 bytes from 172.18.0.21: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.037 ms
    64 bytes from 172.18.0.21: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.046 ms
    --- 172.18.0.21 ping statistics ---
    2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 33ms
    rtt min/avg/max/mdev = 0.037/0.041/0.046/0.007 ms
    # 但是仍然無(wú)法連通netns1
    $ ping -c 2 172.18.0.20
    PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data.
    From 172.18.0.10 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable
    From 172.18.0.10 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable
    --- 172.18.0.20 ping statistics ---
    2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 63ms pipe 2

暈！有地方出錯(cuò)了……netns1有問(wèn)題。它無(wú)法連接到root，并且從root命名空間里也無(wú)法訪問(wèn)到它。但是，因?yàn)閮蓚€(gè)容器都在相同的IP網(wǎng)段172.18.0.0/16里，從netns0容器可以訪問(wèn)到主機(jī)的veth1。

這里花了些時(shí)間來(lái)找到原因，不過(guò)很明顯遇到的是路由問(wèn)題。先查一下root命名空間的路由表：

$ ip route
    # ... 忽略無(wú)關(guān)行... #
    172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11
    172.18.0.0/16 dev veth1 proto kernel scope link src 172.18.0.21

在添加了第二個(gè)veth對(duì)之后，root的網(wǎng)絡(luò)棧知道了新路由172.18.0.0/16 dev veth1 proto kernel scope link src 172.18.0.21，但是之前已經(jīng)存在該網(wǎng)絡(luò)的路由了。當(dāng)?shù)诙€(gè)容器嘗試ping veth1時(shí)，選中的是第一個(gè)路由規(guī)則，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無(wú)法連通。如果我們刪除第一個(gè)路由sudo ip route delete 172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11，然后重新檢查連通性，應(yīng)該就沒(méi)有問(wèn)題了。netns1可以連通，但是netns0就不行了。

如果我們?yōu)閚etns1選擇其他的網(wǎng)段，應(yīng)該就都可以連通。但是，多個(gè)容器在同一個(gè)IP網(wǎng)段上應(yīng)該是合理的使用場(chǎng)景。因此，我們需要調(diào)整veth方案。

別忘了還有Linux網(wǎng)橋——另一種虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)！Linux網(wǎng)橋作用類(lèi)似于網(wǎng)絡(luò)switch。它會(huì)在連接到其上的接口間轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)包。并且因?yàn)樗莝witch，它是在L2層完成這些轉(zhuǎn)發(fā)的。

試試這個(gè)工具。但是首先，需要清除已有設(shè)置，因?yàn)橹暗囊恍┡渲矛F(xiàn)在不再需要了。刪除網(wǎng)絡(luò)命名空間：

$ sudo ip netns delete netns0
$ sudo ip netns delete netns1
$ sudo ip link delete veth0
$ sudo ip link delete ceth0
$ sudo ip link delete veth1
$ sudo ip link delete ceth1

快速重建兩個(gè)容器。注意，我們沒(méi)有給新的veth0和veth1設(shè)備分配任何IP地址：

$ sudo ip netns add netns0
$ sudo ip link add veth0 type veth peer name ceth0
$ sudo ip link set veth0 up
$ sudo ip link set ceth0 netns netns0

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
$ ip link set lo up
$ ip link set ceth0 up
$ ip addr add 172.18.0.10/16 dev ceth0
$ exit

$ sudo ip netns add netns1
$ sudo ip link add veth1 type veth peer name ceth1
$ sudo ip link set veth1 up
$ sudo ip link set ceth1 netns netns1

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1
$ ip link set lo up
$ ip link set ceth1 up
$ ip addr add 172.18.0.20/16 dev ceth1
$ exit

確保主機(jī)上沒(méi)有新的路由：

$ ip route
default via 10.0.2.2 dev eth0 proto dhcp metric 100
10.0.2.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.2.15 metric 100

最后創(chuàng)建網(wǎng)橋接口：

$ sudo ip link add br0 type bridge
$ sudo ip link set br0 up

將veth0和veth1接到網(wǎng)橋上：

$ sudo ip link set veth0 master br0
$ sudo ip link set veth1 master br0

檢查容器間的連通性：

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
$ ping -c 2 172.18.0.20 
PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data. 
64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.259 ms 
64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.051 ms 
--- 172.18.0.20 ping statistics --- 
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 2ms 
rtt min/avg/max/mdev = 0.051/0.155/0.259/0.104 ms

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1 
$ ping -c 2 172.18.0.10 
PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data. 
64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.037 ms 
64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.089 ms 
--- 172.18.0.10 ping statistics --- 
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 36ms 
rtt min/avg/max/mdev = 0.037/0.063/0.089/0.026 ms

太好了！工作得很好。用這種新方案，我們根本不需要配置veth0和veth1。只需要在ceth0和ceth1端點(diǎn)分配兩個(gè)IP地址。但是因?yàn)樗鼈兌歼B接在相同的Ethernet上（記住，它們連接到虛擬switch上），之間在L2層是連通的：

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
$ ip neigh
172.18.0.20 dev ceth0 lladdr 6e:9c:ae:02:60:de STALE
$ exit

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1
$ ip neigh
172.18.0.10 dev ceth1 lladdr 66:f3:8c:75:09:29 STALE
$ exit

太好了，我們學(xué)習(xí)了如何將容器變成友鄰，讓它們互不干擾，但是又可以連通。

連接外部世界（IP路由和地址偽裝（masquerading））

容器間可以通信。但是它們能和主機(jī)，比如root命名空間，通信嗎？

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
$ ping 10.0.2.15 # eth0 address
connect: Network is unreachable

這里很明顯，netns0沒(méi)有路由：

$ ip route
172.18.0.0/16 dev ceth0 proto kernel scope link src 172.18.0.10

root命名空間不能和容器通信：

# 首先使用 exit 離開(kāi)netns0: 
    $ ping -c 2 172.18.0.10 
    PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data. 
    From 213.51.1.123 icmp_seq=1 Destination Net Unreachable 
    From 213.51.1.123 icmp_seq=2 Destination Net Unreachable 
    --- 172.18.0.10 ping statistics --- 
    2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 3ms 

$ ping -c 2 172.18.0.20 
PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data. 
From 213.51.1.123 icmp_seq=1 Destination Net Unreachable 
From 213.51.1.123 icmp_seq=2 Destination Net Unreachable 
--- 172.18.0.20 ping statistics --- 
2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 3ms

要建立root和容器命名空間的連通性，我們需要給網(wǎng)橋網(wǎng)絡(luò)接口分配IP地址：

$ sudo ip addr add 172.18.0.1/16 dev br0

一旦給網(wǎng)橋網(wǎng)絡(luò)接口分配了IP地址，在主機(jī)的路由表里就會(huì)多一條路由：

$ ip route 
    # ...忽略無(wú)關(guān)行 ... 
    172.18.0.0/16 dev br0 proto kernel scope link src 172.18.0.1 

$ ping -c 2 172.18.0.10 
PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data. 
64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.036 ms 
64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.049 ms 

--- 172.18.0.10 ping statistics --- 
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 11ms 
rtt min/avg/max/mdev = 0.036/0.042/0.049/0.009 ms 

$ ping -c 2 172.18.0.20 
PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data. 
64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.059 ms 
64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.056 ms 

--- 172.18.0.20 ping statistics --- 
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 4ms 
rtt min/avg/max/mdev = 0.056/0.057/0.059/0.007 ms

容器可能也可以ping網(wǎng)橋接口，但是它們還是無(wú)法連接到主機(jī)的eth0。需要為容器添加默認(rèn)的路由：

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
$ ip route add default via 172.18.0.1
$ ping -c 2 10.0.2.15
PING 10.0.2.15 (10.0.2.15) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.0.2.15: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.036 ms
64 bytes from 10.0.2.15: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.053 ms
--- 10.0.2.15 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 14ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.036/0.044/0.053/0.010 ms
# 為`netns1`也做上述配置

這個(gè)改動(dòng)基本上把主機(jī)變成了路由，并且網(wǎng)橋接口變成了容器間的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。

很好，我們將容器連接到root命名空間上。現(xiàn)在，繼續(xù)嘗試將它們連接到外部世界。Linux上默認(rèn)disable了網(wǎng)絡(luò)包轉(zhuǎn)發(fā)（比如，路由功能）。我們需要先啟用這個(gè)功能：

# 在 root 命名空間
sudo bash -c 'echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward'

再次檢查連通性：

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
$ ping 8.8.8.8
# hung住了...

還是不工作。哪里弄錯(cuò)了呢？如果容器可以向外部發(fā)包，那么目標(biāo)服務(wù)器無(wú)法將包發(fā)回容器，因?yàn)槿萜鞯腎P地址是私有的，那個(gè)特定IP的路由規(guī)則只有本地網(wǎng)絡(luò)知道。并且有很多容器共享的是完全相同的私有IP地址172.18.0.10。這個(gè)問(wèn)題的解決方法稱為網(wǎng)絡(luò)地址翻譯（NAT）。在到達(dá)外部網(wǎng)絡(luò)之前，容器發(fā)出的包會(huì)將源IP地址替換為主機(jī)的外部網(wǎng)絡(luò)地址。主機(jī)還會(huì)跟蹤所有已有的映射，會(huì)在將包轉(zhuǎn)發(fā)回容器之前恢復(fù)之前被替換的IP地址。聽(tīng)上去很復(fù)雜，但是有一個(gè)好消息！iptables模塊讓我們只需要一條命令就可以完成這一切：

$ sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 172.18.0.0/16 ! -o br0 -j MASQUERADE

命令非常簡(jiǎn)單。在nat表里添加了一條POSTROUTING chain的新路由，會(huì)替換偽裝所有源于172.18.0.0/16網(wǎng)絡(luò)的包，但是不通過(guò)網(wǎng)橋接口。

檢查連通性：

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
$ ping -c 2 8.8.8.8 PING 8.8.8.8 (8.8.8.8) 56(84) bytes of data. 
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=61 time=43.2 ms 
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=2 ttl=61 time=36.8 ms 
--- 8.8.8.8 ping statistics --- 
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 2ms 
rtt min/avg/max/mdev = 36.815/40.008/43.202/3.199 ms

要知道這里我們用的默認(rèn)策略——允許所有流量，這在真實(shí)的環(huán)境里是非常危險(xiǎn)的。主機(jī)的默認(rèn)iptables策略是ACCEPT：

sudo iptables -S
-P INPUT ACCEPT
-P FORWARD ACCEPT
-P OUTPUT ACCEPT

Docker默認(rèn)限制所有流量，隨后僅僅為已知的路徑啟用路由。

如下是在CentOS 8機(jī)器上，單個(gè)容器暴露了端口5005時(shí)，由Docker daemon生成的規(guī)則：

$ sudo iptables -t filter --list-rules
-P INPUT ACCEPT
-P FORWARD DROP
-P OUTPUT ACCEPT
-N DOCKER
-N DOCKER-ISOLATION-STAGE-1
-N DOCKER-ISOLATION-STAGE-2
-N DOCKER-USER
-A FORWARD -j DOCKER-USER
-A FORWARD -j DOCKER-ISOLATION-STAGE-1
-A FORWARD -o docker0 -m conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT
-A FORWARD -o docker0 -j DOCKER
-A FORWARD -i docker0 ! -o docker0 -j ACCEPT
-A FORWARD -i docker0 -o docker0 -j ACCEPT
-A DOCKER -d 172.17.0.2/32 ! -i docker0 -o docker0 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j ACCEPT
-A DOCKER-ISOLATION-STAGE-1 -i docker0 ! -o docker0 -j DOCKER-ISOLATION-STAGE-2
-A DOCKER-ISOLATION-STAGE-1 -j RETURN
-A DOCKER-ISOLATION-STAGE-2 -o docker0 -j DROP
-A DOCKER-ISOLATION-STAGE-2 -j RETURN
-A DOCKER-USER -j RETURN

$ sudo iptables -t nat --list-rules
-P PREROUTING ACCEPT
-P INPUT ACCEPT
-P POSTROUTING ACCEPT
-P OUTPUT ACCEPT
-N DOCKER
-A PREROUTING -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER
-A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o docker0 -j MASQUERADE
-A POSTROUTING -s 172.17.0.2/32 -d 172.17.0.2/32 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j MASQUERADE
-A OUTPUT ! -d 127.0.0.0/8 -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER
-A DOCKER -i docker0 -j RETURN
-A DOCKER ! -i docker0 -p tcp -m tcp --dport 5005 -j DNAT --to-destination 172.17.0.2:5000

$ sudo iptables -t mangle --list-rules
-P PREROUTING ACCEPT
-P INPUT ACCEPT
-P FORWARD ACCEPT
-P OUTPUT ACCEPT
-P POSTROUTING ACCEPT

$ sudo iptables -t raw --list-rules
-P PREROUTING ACCEPT
-P OUTPUT ACCEPT

讓外部世界可以訪問(wèn)容器（端口發(fā)布）

大家都知道可以將容器端口發(fā)布給一些（或者所有）主機(jī)的接口。但是端口發(fā)布到底是什么意思呢？

假設(shè)容器內(nèi)運(yùn)行著服務(wù)器：

$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
$ python3 -m http.server --bind 172.18.0.10 5000

如果我們?cè)囍鴱闹鳈C(jī)上發(fā)送一個(gè)HTTP請(qǐng)求到這個(gè)服務(wù)器，一切都工作得很好（root命名空間和所有容器接口之間有鏈接，當(dāng)然可以連接成功）：

# 從 root 命名空間 
    $ curl 172.18.0.10:5000 
    <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"  "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd"> 
    # ... 忽略無(wú)關(guān)行 ...

但是，如果要從外部訪問(wèn)這個(gè)服務(wù)器，應(yīng)該使用哪個(gè)IP呢？我們知道的唯一IP是主機(jī)的外部接口地址eth0：

$ curl 10.0.2.15:5000
curl: (7) Failed to connect to 10.0.2.15 port 5000: Connection refused

因此，我們需要找到方法，能夠?qū)⒌竭_(dá)主機(jī)eth05000端口的所有包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地172.18.0.10:5000。又是iptables來(lái)幫忙！

# 外部流量
    sudo iptables -t nat -A PREROUTING -d 10.0.2.15 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j DNAT --to-destination 172.18.0.10:5000
    # 本地流量 (因?yàn)樗鼪](méi)有通過(guò) PREROUTING chain)
    sudo iptables -t nat -A OUTPUT -d 10.0.2.15 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j DNAT --to-destination 172.18.0.10:5000

另外，需要讓iptables能夠在橋接網(wǎng)絡(luò)上截獲流量：

sudo modprobe br_netfilter

測(cè)試：

curl 10.0.2.15:5000 
<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"  "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">
      # ... 忽略無(wú)關(guān)行 ...

理解Docker網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)

我們可以怎么使用這些知識(shí)呢？比如，可以試著理解Docker網(wǎng)絡(luò)模式[1]。

從--network host模式開(kāi)始。試著比較一下命令ip link和sudo docker run -it --rm --network host alpine ip link的輸出。它們幾乎一樣！在host模式下，Docker簡(jiǎn)單地沒(méi)有使用網(wǎng)絡(luò)命名空間隔離，容器就在root網(wǎng)絡(luò)命名空間里工作，并且和主機(jī)共享網(wǎng)絡(luò)棧。

下一個(gè)模式是--network none。sudo docker run -it --rm --network host alpine ip link的輸出只有一個(gè)loopback網(wǎng)絡(luò)接口。這和之前創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)命名空間，沒(méi)有添加veth設(shè)備前很相似。

最后是--network bridge（默認(rèn)）模式。這正是我們前文嘗試創(chuàng)建的模式。大家可以試試ip 和iptables命令，分別從主機(jī)和容器的角度觀察一下網(wǎng)絡(luò)棧。

rootless容器和網(wǎng)絡(luò)

Podman容器管理器的一個(gè)很好的特性是關(guān)注于rootless容器。但是，你可能注意到，本文使用了很多sudo命令。說(shuō)明，沒(méi)有root權(quán)限無(wú)法配置網(wǎng)絡(luò)。Podman在root網(wǎng)絡(luò)上的方案[2]和Docker非常相似。但是在rootless容器上，Podman使用了slirp4netns[3]項(xiàng)目：

從Linux 3.8開(kāi)始，非特權(quán)用戶可以創(chuàng)建user_namespaces(7)的同時(shí)創(chuàng)建network_namespaces(7)。但是，非特權(quán)網(wǎng)絡(luò)命名空間并不是很有用，因?yàn)樵谥鳈C(jī)和網(wǎng)絡(luò)命名空間之間創(chuàng)建veth(4)仍然需要root權(quán)限

slirp4netns可以用完全非特權(quán)的方式將網(wǎng)絡(luò)命名空間連接到Internet上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)命名空間里的一個(gè)TAP設(shè)備連接到用戶態(tài)的TCP/IP棧（slirp）。

rootless網(wǎng)絡(luò)是很有限的：“從技術(shù)上說(shuō)，容器本身沒(méi)有IP地址，因?yàn)闆](méi)有root權(quán)限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的關(guān)聯(lián)。另外，從rootless容器ping是不會(huì)工作的，因?yàn)樗鄙貱AP_NET_RAW安全能力，而這是ping命令必需的。”但是它仍然比完全沒(méi)有連接要好。

結(jié)論

本文介紹的組織容器網(wǎng)絡(luò)的方案僅僅是可能方案的一種（可能是最為廣泛使用的一種）。還有很多別的方式，由官方或者第三方插件實(shí)現(xiàn)，但是所有這些方案都嚴(yán)重依賴于Linux網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)[4]。因此，容器化可以認(rèn)為是一種虛擬化技術(shù)。

相關(guān)鏈接：

https://docs.docker.com/network/#network-drivers
https://www.redhat.com/sysadmin/container-networking-podman
https://github.com/rootless-containers/slirp4netns
https://developers.redhat.com/blog/2018/10/22/introduction-to-linux-interfaces-for-virtual-networking/

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容器網(wǎng)絡(luò)其實(shí)并不難

來(lái)源：分布式實(shí)驗(yàn)室鏈接：https://iximiuz.com/en/posts/container-networking-is-simple/

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鏈接：https://iximiuz.com/en/posts/container-networking-is-simple/