从 Linux 网络虚拟化探究容器网络

容器的本质是一个特殊的进程，特殊在为期创建了 Namespace 隔离运行环境，并用 CGroup 为其控制资源开销。借助这两个技术我们可以成功实现应用容器化，但如何让多个容器在网络环境相互通信，以及访问外部网络，或者让外部网络访问特定容器等问题，则还需要利用一些 Linux 网络虚拟化技术。

在 Linux 提供的众多 Namespace 中，我们可以其中 Network Namespace 来给容器配置独立的网络视图。

现在让我们从 linux 提供的一些网络虚拟化技术来实现一个简易版的"docker"。

网络命名空间隔离

通过一个小实验 demo 来体验网络命名空间

通过使用命令 readlink proc/$$/ns/net 来查看宿主机的网络空间

我们也可以创建 Network Namespace，通过 ip netns 工具来创建

在这两个网络命名空间上创建两个 bash 容器进行观察, 发现网络空间的值改变了

查看接口

查看路由表

发现这个网络命名空间里的网络都被重置了，同样的 fangcong2 这个空间应该也如此。

不同的容器（ fangcong1 和 fangcong2 ）拥有自己独立的网络协议栈，包括网络设备、路由表、ARP 表、iptables 规则、socket 等，所有的容器都会以为自己运行在独立的网络环境中。

然后在测试一下在 fangcong1 和 fangcong2 的通信情况

准备一个 go web 服务

package main

import (
	"fmt"
	"net/http"
	"os"
)

func main() {
	name := os.Args[1]
	http.HandleFunc("/", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
		fmt.Println("req")
		w.Write([]byte(name + "\n"))

	})
	fmt.Println(name, "listen :8081")
	panic(http.ListenAndServe(":8081", nil))

}

然后在两个自定义的网络命名空间里运行

可以看到在同一主机下，起了两个 8081 端口却并没有发生冲突。

测试一下 web 服务器的可用性

发现访问不通,因为还没有配置网卡

容器点对点通信

上面的小 demo 证明当两个容器处于不同的 Network Namespace 中他们的网络是隔离的,他们也无法进行网络通信。在现实世界里如果两台计算机需要互通,只需要一根网线即可。那么容器呢？

在 Linux 网络虚拟化技术中提供了软件来模拟硬件网卡的方式,跟网线有两端一样，veth 也是成对出现的，被称为 veth pair,只要将一对 Veth 分别放入两个 Network Namespace 中，这两个 Network Namespace 就可以互相通信了。

创建 veth pair

将 veth1 放入 fangcong1，另一端 veth2 放入 fangcong2

然后就可以在容器里看到对应的网络设备了

然后分别为两个网卡设置 ip 地址，使其位于同一个子网 172.17.0.0/24 然后启用网卡

测试互访

到这里容器点对点通信就成功解决了。

容器间互访

但是在真实的网络世界里不可能只有两台计算机，肯定不是一个简单的二层网络，也没有足够多的网口进行彼此之间的两两互联，所以就发明了二层交换机(或网桥)。

容器也是如此，肯定会有 3 个或者以上的容器需要互访。那么就不能单单靠 veth 了。则需要用到 linux 为我们提供的网桥虚拟化方式： Bridge。

先创建一个 fangcong3 的命名空间:

然后将之前的 veth1 和 veth2 去除

创建 Bridge

然后创建三对 veth

将 veth1 插入 fangcong1、veth1-br 插入 br0、veth2 插入 fangcong2、veth2-br 插入 br0 、 veth3 插入 fangcong3、veth3-br 插入 br0 （记得启用 veth*-br ）：

分别在三个容器中，为各自的网卡设置 IP 地址，并使其位于同一个子网 172.17.0.0/24 中，设置完后同样需要进行启用操作：

fangcong1> ip addr add 172.17.0.101/24 dev veth1
fangcong1> ip link set dev veth1 up
fangcong1> ifconfig
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 10  bytes 941 (941.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 10  bytes 941 (941.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

veth1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.101  netmask 255.255.255.0  broadcast 0.0.0.0
        inet6 fe80::cc78:8bff:fe0c:75ba  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether ce:78:8b:0c:75:ba  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 6  bytes 516 (516.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 6  bytes 516 (516.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

fangcong2> ip addr add 172.17.0.102/24 dev veth2
fangcong2> ip lin set dev veth2 up
fangcong2> ifconfig
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

veth2: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.102  netmask 255.255.255.0  broadcast 0.0.0.0
        inet6 fe80::64f5:52ff:fe95:3228  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 66:f5:52:95:32:28  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 3  bytes 266 (266.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 5  bytes 426 (426.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

fangcong3> ip addr add 172.17.0.103/24 dev veth3
fangcong3> ip link set dev veth3 up
fangcong3> ifconfig
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

veth3: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.103  netmask 255.255.255.0  broadcast 0.0.0.0
        inet6 fe80::a405:23ff:fe99:60e2  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether a6:05:23:99:60:e2  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 6  bytes 516 (516.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 6  bytes 516 (516.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

测试三台容器互访

至此我们就实现了同宿主机上的多容器间互访，但现在距离 docker 还很远，所以还欠缺了以下几种网络方案。

容器和宿主机互通

目前为止，我们的实验都是处于同一子网中。但实际的应用场景，更多的是需要容器可以与外部进行互通。

在现实世界中，二层交换机只能解决同一子网内的数据流向，对于不同子网，就需要使用三层路由器（或网关）来转发。

不过和之前 Linux 提供了交换机的虚拟化实现 Bridge 不同，Linux 并没有提供一个虚拟的路由器设备。因为 Linux 其自身就已经具备了路由器的功能，可以直接用来充当路由器，更准确地说，在 Linux 中，一个 Network Namespace 就可以承担一个路由器的功能。

现在我们三个容器 fangcong1,fangcong2,fangcong3 三个容器处于同一子网 172.17.0.0/24 中，与宿主机不在同一子网。宿主机的 ip 是 103.239.101.157

查看 fangcong1 容器的路由表

可以看到只有自己子网的路由规则。

我们在宿主机上给网卡 br0 设置 IP，让他充当三层网关来参与容器网络的路由转发寻路。（三台容器都通过 veth 绑定到这个网卡上了)

宿主机自动产生一条直连路由

加上这条路由导致我的 docker 服务不通了,因为访问流量导入了 br0 的网卡，不走下面 docker服务 默认的 docker0 的网桥了

删掉刚才配置的 ip, 直连路由也自动消失，站点恢复。

回到实验，我们加回接口 ip，这时候通过新增的直连路由就可以实现宿主机访问容器了。

反过来，容器访问宿主机，也可以通过配置容器隔离的路由表来实现,这里我将 br0 的 ip 改成了 172.17.0.2 避免和 docker0 冲突

至此，我们通过三层路由表转发实现了容器与宿主机的网络通信

容器访问其它主机（外网）

待续

外部访问容器（容器端口映射）

待续

从 Linux 网络虚拟化探究容器网络

网络命名空间隔离

容器点对点通信

创建 veth pair

容器间互访

创建 Bridge

容器和宿主机互通

容器访问其它主机（外网）

外部访问容器（容器端口映射）

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