超詳細！一文詳解容器網(wǎng)絡發(fā)展
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使用容器總是感覺像使用魔法一樣。對于那些理解底層原理的人來說容器很好用，但是對于不理解的人來說就是個噩夢。很幸運的是，我們已經(jīng)研究容器技術很久了，甚至成功揭秘容器只是隔離并受限的Linux進程，運行容器并不需要鏡像，以及另一個方面，構建鏡像需要運行一些容器。
現(xiàn)在是時候解決容器網(wǎng)絡問題了。或者更準確地說，單主機容器網(wǎng)絡問題。本文會回答這些問題：
如何虛擬化網(wǎng)絡資源，讓容器認為自己擁有獨占網(wǎng)絡？
如何讓容器們和平共處，之間不會互相干擾，并且能夠互相通信？
從容器內(nèi)部如何訪問外部世界（比如，互聯(lián)網(wǎng)）？
從外部世界如何訪問某臺機器上的容器呢（比如，端口發(fā)布）？
最終結果很明顯，單主機容器網(wǎng)絡是已知的Linux功能的簡單組合：
網(wǎng)絡命名空間（namespace）
虛擬Ethernet設備（veth）
虛擬網(wǎng)絡交換機（網(wǎng)橋）
IP路由和網(wǎng)絡地址翻譯（NAT）
并且不需要任何代碼就可以讓這樣的網(wǎng)絡魔法發(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
為了簡單起見，本文使用容器化解決方案（比如，Docker或者Podman）。我們會重點介紹基本概念，并使用最簡單的工具來達到學習目標。
network命名空間隔離容器
Linux網(wǎng)絡棧包括哪些部分？顯然，是一系列網(wǎng)絡設備。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)建一個并不復雜的腳本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
在運行腳本前，讓我們修改下iptable rule：
$ sudo iptables -N ROOT_NS
這之后，在機器上執(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
我們對這些輸出感興趣，因為要確保即將創(chuàng)建的每個容器都有各自獨立的網(wǎng)絡棧。
你可能已經(jīng)知道了，用于容器隔離的一個Linux命名空間是網(wǎng)絡命名空間（network namespace）。從man ip-netns可以看到，“網(wǎng)絡命名空間是網(wǎng)絡棧邏輯上的另一個副本，它有自己的路由，防火墻規(guī)則和網(wǎng)絡設備。”為了簡化起見，這是本文使用的唯一的命名空間。我們并沒有創(chuàng)建完全隔離的容器，而是將范圍限制在網(wǎng)絡棧上。
創(chuàng)建網(wǎng)絡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？一個很好用的命令nsenter。進入一個或多個特定的命名空間，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進程運行在netns0命名空間，這時看到的是完全不同的網(wǎng)絡棧。這里沒有路由規(guī)則，沒有自定義的iptables chain，只有一個loopback的網(wǎng)絡設備。
使用虛擬的Ethernet設備（veth）將容器連接到主機上
如果我們無法和某個專有的網(wǎng)絡棧通信，那么它看上去就沒什么用。幸運的是，Linux提供了好用的工具——虛擬Ethernet設備。從man veth可以看到，“veth設備是虛擬Ethernet設備。他們可以作為網(wǎng)絡命名空間之間的通道（tunnel），從而創(chuàng)建連接到另一個命名空間里的物理網(wǎng)絡設備的橋梁，但是也可以作為獨立的網(wǎng)絡設備使用。”
虛擬Ethernet設備通常都成對出現(xiàn)。不用擔心，先看一下創(chuàng)建的腳本：
$ sudo ip link add veth0 type veth peer name ceth0
用這條簡單的命令，我們就可以創(chuàng)建一對互聯(lián)的虛擬Ethernet設備。默認選擇了veth0和ceth0這兩個名稱。
$ 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都在主機的網(wǎng)絡棧（也稱為root網(wǎng)絡命名空間）上。將netns0命名空間連接到root命名空間，需要將一個設備留在root命名空間，另一個挪到netns0里：
$ sudo ip link set ceth0 netns netns0
# 列出所有設備，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
一旦啟用設備并且分配了合適的IP地址，其中一個設備上產(chǎn)生的包會立刻出現(xiàn)在其配對設備里，從而連接起兩個命名空間。從root命名空間開始：
$ 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 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，如果嘗試從netns0命名空間訪問其他地址，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路由表里沒有這類包的路由。唯一的entry是如何到達172.18.0.0/16網(wǎng)絡：
# 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設備并且分配了IP地址172.18.0.0/16。因為我們使用的不是簡單的IP地址，而是地址和子網(wǎng)掩碼的組合，網(wǎng)絡棧可以從其中提取出路由信息。目的地是172.18.0.0/16的每個網(wǎng)絡包都會通過ceth0設備。但是其他包會被丟棄。類似的，root命名空間也有了個新的路由：
# 在root命名空間:
$ ip route
# ... 忽略無關行 ...
172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11
這里，就可以回答第一個問題了。我們了解了如何隔離，虛擬化并且連接Linux網(wǎng)絡棧。
使用虛擬網(wǎng)絡switch（網(wǎng)橋）連接容器
容器化思想的驅動力是高效的資源共享。所以，一臺機器上只運行一個容器并不常見。相反，最終目標是盡可能地在共享的環(huán)境上運行更多的隔離進程。因此，如果按照上述veth方案，在同一臺主機上放置多個容器的話會發(fā)生什么呢？讓我們嘗試添加第二個容器。
# 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 `netns1`
$ exit
# 從 root 命名空間無法連通`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！有地方出錯了……netns1有問題。它無法連接到root，并且從root命名空間里也無法訪問到它。但是，因為兩個容器都在相同的IP網(wǎng)段172.18.0.0/16里，從netns0容器可以訪問到主機的veth1。
這里花了些時間來找到原因，不過很明顯遇到的是路由問題。先查一下root命名空間的路由表：
$ ip route
# ... 忽略無關行... #
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veth對之后，root的網(wǎng)絡棧知道了新路由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)絡的路由了。當?shù)诙€容器嘗試ping veth1時，選中的是第一個路由規(guī)則，這導致網(wǎng)絡無法連通。如果我們刪除第一個路由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，應該就沒有問題了。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，應該就都可以連通。但是，多個容器在同一個IP網(wǎng)段上應該是合理的使用場景。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)絡技術！Linux網(wǎng)橋作用類似于網(wǎng)絡switch。它會在連接到其上的接口間轉發(fā)網(wǎng)絡包。并且因為它是switch，它是在L2層完成這些轉發(fā)的。
試試這個工具。但是首先，需要清除已有設置，因為之前的一些配置現(xiàn)在不再需要了。刪除網(wǎng)絡命名空間：
$ 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
快速重建兩個容器。注意，我們沒有給新的veth0和veth1設備分配任何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
確保主機上沒有新的路由：
$ 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端點分配兩個IP地址。但是因為它們都連接在相同的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，我們學習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，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)絡接口分配了IP地址，在主機的路由表里就會多一條路由：
$ ip route
# ...忽略無關行 ...
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，但是它們還是無法連接到主機的eth0。需要為容器添加默認的路由：
$ 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
這個改動基本上把主機變成了路由，并且網(wǎng)橋接口變成了容器間的默認網(wǎng)關。
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disable了網(wǎng)絡包轉發(fā)（比如，路由功能）。我們需要先啟用這個功能：
# 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。哪里弄錯了呢？如果容器可以向外部發(fā)包，那么目標服務器無法將包發(fā)回容器，因為容器的IP地址是私有的，那個特定IP的路由規(guī)則只有本地網(wǎng)絡知道。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。這個問題的解決方法稱為網(wǎng)絡地址翻譯（NAT）。在到達外部網(wǎng)絡之前，容器發(fā)出的包會將源IP地址替換為主機的外部網(wǎng)絡地址。主機還會跟蹤所有已有的映射，會在將包轉發(fā)回容器之前恢復之前被替換的IP地址。聽上去很復雜，但是有一個好消息！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
命令非常簡單。在nat表里添加了一條POSTROUTING chain的新路由，會替換偽裝所有源于172.18.0.0/16網(wǎng)絡的包，但是不通過網(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策略——允許所有流量，這在真實的環(huán)境里是非常危險的。主機的默認iptables策略是ACCEPT：
sudo iptables -S
-P INPUT ACCEPT
-P FORWARD ACCEPT
-P OUTPUT ACCEPT
Docker默認限制所有流量，隨后僅僅為已知的路徑啟用路由。
如下是在CentOS 8機器上，單個容器暴露了端口5005時，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）主機的接口。但是端口發(fā)布到底是什么意思呢？
假設容器內(nèi)運行著服務器：
$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
$ python3 -m http.server --bind 172.18.0.10 5000
如果我們試著從主機上發(fā)送一個HTTP請求到這個服務器，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">
# ... 忽略無關行 ...
但是，如果要從外部訪問這個服務器，應該使用哪個IP呢？我們知道的唯一IP是主機的外部接口地址eth0：
$ curl 10.0.2.15:5000
curl: (7) Failed to connect to 10.0.2.15 port 5000: Connection refused
理解Docker網(wǎng)絡驅動
我們可以怎么使用這些知識呢？比如，可以試著理解Docker網(wǎng)絡模式[1]。
從—network host模式開始。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簡單地沒有使用網(wǎng)絡命名空間隔離，容器就在root網(wǎng)絡命名空間里工作，并且和主機共享網(wǎng)絡棧。
下一個模式是—network none。sudo docker run -it —rm —network host alpine ip link的輸出只有一個loopback網(wǎng)絡接口。這和之前創(chuàng)建的網(wǎng)絡命名空間，沒有添加veth設備前很相似。
最后是—network bridge（默認）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，分別從主機和容器的角度觀察一下網(wǎng)絡棧。
rootless容器和網(wǎng)絡
Podman容器管理器的一個很好的特性是關注于rootless容器。但是，你可能注意到，本文使用了很多sudo命令。說明，沒有root權限無法配置網(wǎng)絡。Podman在root網(wǎng)絡上的方案[2]和Docker非常相似。但是在rootless容器上，Podman使用了slirp4netns[3]項目：
從Linux 3.8開始，非特權用戶可以創(chuàng)建user_namespaces(7)的同時創(chuàng)建network_namespaces(7)。但是，非特權網(wǎng)絡命名空間并不是很有用，因為在主機和網(wǎng)絡命名空間之間創(chuàng)建veth(4)仍然需要root權限
slirp4netns可以用完全非特權的方式將網(wǎng)絡命名空間連接到Internet上，通過網(wǎng)絡命名空間里的一個TAP設備連接到用戶態(tài)的TCP/IP棧（slirp）。
rootless網(wǎng)絡是很有限的：“從技術上說，容器本身沒有IP地址，因為沒有root權限，無法實現(xiàn)網(wǎng)絡設備的關聯(lián)。另外，從rootless容器ping是不會工作的，因為它缺少CAP_NET_RAW安全能力，而這是ping命令必需的。”但是它仍然比完全沒有連接要好。
結論
本文介紹的組織容器網(wǎng)絡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現(xiàn)，但是所有這些方案都嚴重依賴于Linux網(wǎng)絡虛擬化技術[4]。因此，容器化可以認為是一種虛擬化技術。
相關鏈接：
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/
原文鏈接：https://iximiuz.com/en/posts/container-networking-is-simple/
來源：本文轉自分布式實驗室。
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