【趣谈网络协议】第29讲 | 容器网络:来去自由的日子,不买公寓去合租

如果说虚拟机是买公寓,容器则相当于合租,有一定的隔离,但是隔离性没有那么好。云计算解决了基础资源层的弹性伸缩,却没有解决 PaaS 层应用随基础资源层弹性伸缩而带来的批量、快速部署问题。于是,容器应运而生。

容器就是 Container,而 Container 的另一个意思是集装箱。其实容器的思想就是要变成软件交付的集装箱。集装箱的特点,一是打包,二是标准。

在没有集装箱的时代,假设要将货物从 A 运到 B,中间要经过三个码头、换三次船。每次都要将货物卸下船来,弄的乱七八糟,然后还要再搬上船重新整齐摆好。因此在没有集装箱的时候,每次换船,船员们都要在岸上待几天才能干完活。

有了尺寸全部都一样的集装箱以后,可以把所有的货物都打包在一起,所以每次换船的时候,一个箱子整体搬过去就行了,小时级别就能完成,船员再也不用耗费很长时间了。这是集装箱的“打包”“标准”两大特点在生活中的应用。

那么容器如何对应用打包呢?

学习集装箱,首先要有个封闭的环境,将货物封装起来,让货物之间互不干扰,互相隔离,这样装货卸货才方便。

封闭的环境主要使用了两种技术,一种是看起来是隔离的技术,称为namespace,也即每个 namespace 中的应用看到的是不同的 IP 地址、用户空间、程号等。另一种是用起来是隔离的技术,称为cgroup,也即明明整台机器有很多的 CPU、内存,而一个应用只能用其中的一部分。

有了这两项技术,就相当于我们焊好了集装箱。接下来的问题就是如何“将这个集装箱标准化”,并在哪艘船上都能运输。这里的标准首先就是镜像

所谓镜像,就是将你焊好集装箱的那一刻,将集装箱的状态保存下来,就像孙悟空说:“定!”,集装箱里的状态就被定在了那一刻,然后将这一刻的状态保存成一系列文件。无论从哪里运行这个镜像,都能完整地还原当时的情况。

接下来我们就具体来看看,这两种网络方面的打包技术。

命名空间(namespace)

我们首先来看网络 namespace。

namespace 翻译过来就是命名空间。其实很多面向对象的程序设计语言里面,都有命名空间这个东西。大家一起写代码,难免类会起相同的名词,编译就会冲突。而每个功能都有自己的命名空间,在不同的空间里面,类名相同,不会冲突。

在 Linux 下也是这样的,很多的资源都是全局的。比如进程有全局的进程 ID,网络也有全局的路由表。但是,当一台 Linux 上跑多个进程的时候,如果我们觉得使用不同的路由策略,这些进程可能会冲突,那就需要将这个进程放在一个独立的 namespace 里面,这样就可以独立配置网络了。

网络的 namespace 由 ip netns 命令操作。它可以创建、删除、查询 namespace。

我们再来看将你们宿舍放进一台物理机的那个图。你们宿舍长的电脑是一台路由器,你现在应该知道怎么实现这个路由器吧?可以创建一个 Router 虚拟机来做这件事情,但是还有一个更加简单的办法,就是我在图里画的这条虚线,这个就是通过 namespace 实现的。

我们创建一个 routerns,于是一个独立的网络空间就产生了。你可以在里面尽情设置自己的规则。

ip netns add routerns

既然是路由器,肯定要能转发嘛,因而 forward 开关要打开。

ip netns exec routerns sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1

exec 的意思就是进入这个网络空间做点事情。初始化一下 iptables,因为这里面要配置 NAT 规则。

ip netns exec routerns iptables-save -c
ip netns exec routerns iptables-restore -c

路由器需要有一张网卡连到 br0 上,因而要创建一个网卡。

ovs-vsctl — add-port br0 taprouter — set Interface taprouter type=internal — set Interface taprouter external-ids:iface-status=active — set Interface taprouter external-ids:attached-mac=fa:16:3e:84:6e:cc

这个网络创建完了,但是是在 namespace 外面的,如何进去呢?可以通过这个命令:

ip link set taprouter netns routerns

要给这个网卡配置一个 IP 地址,当然应该是虚拟机网络的网关地址。例如虚拟机私网网段为 192.168.1.0/24,网关的地址往往为 192.168.1.1。

ip netns exec routerns ip -4 addr add 192.168.1.1/24 brd 192.168.1.255 scope global dev taprouter

为了访问外网,还需要另一个网卡连在外网网桥 br-ex 上,并且塞在 namespace 里面。

ovs-vsctl — add-port br-ex taprouterex — set Interface taprouterex type=internal — set Interface taprouterex external-ids:iface-status=active — set Interface taprouterex external-ids:attached-mac=fa:16:3e:68:12:c0

 

ip link set taprouterex netns routerns

我们还需要为这个网卡分配一个地址,这个地址应该和物理外网网络在一个网段。假设物理外网为 16.158.1.0/24,可以分配一个外网地址 16.158.1.100/24。

ip netns exec routerns ip -4 addr add 16.158.1.100/24 brd 16.158.1.255 scope global dev taprouterex

接下来,既然是路由器,就需要配置路由表,路由表是这样的:

ip netns exec routerns route -n
Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
0.0.0.0 16.158.1.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 taprouterex
192.168.1.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 0 0 0 taprouter
16.158.1.0 0.0.0.0 255.255.255.0 U 0 0 0 taprouterex

路由表中的默认路由是去物理外网的,去 192.168.1.0/24 也即虚拟机私网,走下面的网卡,去 16.158.1.0/24 也即物理外网,走上面的网卡。

我们在前面的章节讲过,如果要在虚拟机里面提供服务,提供给外网的客户端访问,客户端需要访问外网 IP3,会在外网网口 NAT 称为虚拟机私网 IP。这个 NAT 规则要在这个 namespace 里面配置。

ip netns exec routerns iptables -t nat -nvL
Chain PREROUTING
target prot opt in out source destination
DNAT all — * * 0.0.0.0/0 16.158.1.103 to:192.168.1.3
Chain POSTROUTING
target prot opt in out source destination
SNAT all — * * 192.168.1.3 0.0.0.0/0 to:16.158.1.103

这里面有两个规则,一个是 SNAT,将虚拟机的私网 IP 192.168.1.3 NAT 成物理外网 IP 16.158.1.103。一个是 DNAT,将物理外网 IP 16.158.1.103 NAT 成虚拟机私网 IP 192.168.1.3。

至此为止,基于网络 namespace 的路由器实现完毕。

机制网络(cgroup)

我们再来看打包的另一个机制网络 cgroup。

cgroup 全称 control groups,是 Linux 内核提供的一种可以限制、隔离进程使用的资源机制。

cgroup 能控制哪些资源呢?它有很多子系统:

  • CPU 子系统使用调度程序为进程控制 CPU 的访问;
  • cpuset,如果是多核心的 CPU,这个子系统会为进程分配单独的 CPU 和内存;
  • memory 子系统,设置进程的内存限制以及产生内存资源报告;
  • blkio 子系统,设置限制每个块设备的输入输出控制;
  • net_cls,这个子系统使用等级识别符(classid)标记网络数据包,可允许 Linux 流量控制程序(tc)识别从具体 cgroup 中生成的数据包。

我们这里最关心的是 net_cls,它可以和前面讲过的 TC 关联起来。

cgroup 提供了一个虚拟文件系统,作为进行分组管理和各子系统设置的用户接口。要使用 cgroup,必须挂载 cgroup 文件系统,一般情况下都是挂载到 /sys/fs/cgroup 目录下。

所以首先我们要挂载一个 net_cls 的文件系统。

mkdir /sys/fs/cgroup/net_cls
mount -t cgroup -onet_cls net_cls /sys/fs/cgroup/net_cls

接下来我们要配置 TC 了。还记得咱们实验 TC 的时候那个树吗?

当时我们通过这个命令设定了规则:从 1.2.3.4 来的,发送给 port 80 的包,从 1:10 走;其他从 1.2.3.4 发送来的包从 1:11 走;其他的走默认。

tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 u32 match ip src 1.2.3.4 match ip dport 80 0xffff flowid 1:10
tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 u32 match ip src 1.2.3.4 flowid 1:11

这里是根据源 IP 来设定的,现在有了 cgroup,我们按照 cgroup 再来设定规则。

tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 handle 1: cgroup

假设我们有两个用户 a 和 b,要对它们进行带宽限制。

首先,我们要创建两个 net_cls。

mkdir /sys/fs/cgroup/net_cls/a
mkdir /sys/fs/cgroup/net_cls/b

假设用户 a 启动的进程 ID 为 12345,把它放在 net_cls/a/tasks 文件中。同样假设用户 b 启动的进程 ID 为 12346,把它放在 net_cls/b/tasks 文件中。

net_cls/a 目录下面,还有一个文件 net_cls.classid,我们放 flowid 1:10。net_cls/b 目录下面,也创建一个文件 net_cls.classid,我们放 flowid 1:11。

这个数字怎么放呢?要转换成一个 0xAAAABBBB 的值,AAAA 对应 class 中冒号前面的数字,而 BBBB 对应后面的数字。

echo 0x00010010 > /sys/fs/cgroup/net_cls/a/net_cls.classid
echo 0x00010011 > /sys/fs/cgroup/net_cls/b/net_cls.classid

这样用户 a 的进程发的包,会打上 1:10 这个标签;用户 b 的进程发的包,会打上 1:11 这个标签。然后 TC 根据这两个标签,让用户 a 的进程的包走左边的分支,用户 b 的进程的包走右边的分支。

容器网络中如何融入物理网络?

了解了容器背后的技术,接下来我们来看,容器网络究竟是如何融入物理网络的?

如果你使用 docker run 运行一个容器,你应该能看到这样一个拓扑结构。

是不是和虚拟机很像?容器里面有张网卡,容器外有张网卡,容器外的网卡连到 docker0 网桥,通过这个网桥,容器直接实现相互访问。

如果你用 brctl 查看 docker0 网桥,你会发现它上面连着一些网卡。其实这个网桥和第 24 讲,咱们自己用 brctl 创建的网桥没什么两样。

那连接容器和网桥的那个网卡和虚拟机一样吗?在虚拟机场景下,有一个虚拟化软件,通过 TUN/TAP 设备虚拟一个网卡给虚拟机,但是容器场景下并没有虚拟化软件,这该怎么办呢?

在 Linux 下,可以创建一对 veth pair 的网卡,从一边发送包,另一边就能收到。

我们首先通过这个命令创建这么一对。

ip link add name veth1 mtu 1500 type veth peer name veth2 mtu 1500

其中一边可以打到 docker0 网桥上。

ip link set veth1 master testbr
ip link set veth1 up

那另一端如何放到容器里呢?

一个容器的启动会对应一个 namespace,我们要先找到这个 namespace。对于 docker 来讲,pid 就是 namespace 的名字,可以通过这个命令获取。

docker inspect ‘–format={{ .State.Pid }}’ test

假设结果为 12065,这个就是 namespace 名字。

默认 Docker 创建的网络 namespace 不在默认路径下 ,ip netns 看不到,所以需要 ln 软链接一下。链接完毕以后,我们就可以通过 ip netns 命令操作了。

rm -f /var/run/netns/12065
ln -s /proc/12065/ns/net /var/run/netns/12065

然后,我们就可以将另一端 veth2 塞到 namespace 里面。

ip link set veth2 netns 12065

然后,将容器内的网卡重命名。

ip netns exec 12065 ip link set veth2 name eth0

然后,给容器内网卡设置 ip 地址。

ip netns exec 12065 ip addr add 172.17.0.2/24 dev eth0
ip netns exec 12065 ip link set eth0 up

一台机器内部容器的互相访问没有问题了,那如何访问外网呢?

你先想想看有没有思路?对,就是虚拟机里面的桥接模式和 NAT 模式。Docker 默认使用 NAT 模式。NAT 模式分为 SNAT 和 DNAT,如果是容器内部访问外部,就需要通过 SNAT。

从容器内部的客户端访问外部网络中的服务器,我画了一张图。在虚拟机那一节,也有一张类似的图。

在宿主机上,有这么一条 iptables 规则:

-A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o docker0 -j MASQUERADE

所有从容器内部发出来的包,都要做地址伪装,将源 IP 地址,转换为物理网卡的 IP 地址。如果有多个容器,所有的容器共享一个外网的 IP 地址,但是在 conntrack 表中,记录下这个出去的连接。

当服务器返回结果的时候,到达物理机,会根据 conntrack 表中的规则,取出原来的私网 IP,通过 DNAT 将地址转换为私网 IP 地址,通过网桥 docker0 实现对内的访问。

如果在容器内部属于一个服务,例如部署一个网站,提供给外部进行访问,需要通过 Docker 的端口映射技术,将容器内部的端口映射到物理机上来。

例如容器内部监听 80 端口,可以通 Docker run 命令中的参数 -p 10080:80,将物理机上的 10080 端口和容器的 80 端口映射起来, 当外部的客户端访问这个网站的时候,通过访问物理机的 10080 端口,就能访问到容器内的 80 端口了。

Docker 有两种方式,一种是通过一个进程docker-proxy的方式,监听 10080,转换为 80 端口。

/usr/bin/docker-proxy -proto tcp -host-ip 0.0.0.0 -host-port 10080 -container-ip 172.17.0.2 -container-port 80

另外一种方式是通过DNAT方式,在 -A PREROUTING 阶段加一个规则,将到端口 10080 的 DNAT 称为容器的私有网络。

-A DOCKER -p tcp -m tcp –dport 10080 -j DNAT –to-destination 172.17.0.2:80

如此就可以实现容器和物理网络之间的互通了。

小结

好了,这一节就到这里了,我们来总结一下。

  • 容器是一种比虚拟机更加轻量级的隔离方式,主要通过 namespace 和 cgroup 技术进行资源的隔离,namespace 用于负责看起来隔离,cgroup 用于负责用起来隔离。
  • 容器网络连接到物理网络的方式和虚拟机很像,通过桥接的方式实现一台物理机上的容器进行相互访问,如果要访问外网,最简单的方式还是通过 NAT。

 

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