容器网络并不难
- - DockOne.io【编者的话】本文通过实验方法一步步揭秘容器网络是如何实现容器间的互通,以及容器和外部网络是如何连通的. 使用容器总是感觉像使用魔法一样. 对于那些理解底层原理的人来说容器很好用,但是对于不理解的人来说就是个噩梦. 很幸运的是,我们已经研究容器技术很久了,甚至成功揭秘 容器只是隔离并受限的Linux进程, 运行容器并不需要镜像,以及另一个方面, 构建镜像需要运行一些容器.
$ 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
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
$ sudo iptables -N ROOT_NS
$ sudo ./inspect-net-stack.sh
> Network devices
1: lo: 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: 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
man ip-netns
可以看到,“网络命名空间是网络栈逻辑上的另一个副本,它有自己的路由,防火墙规则和网络设备。”为了简化起见,这是本文使用的唯一的命名空间。我们并没有创建完全隔离的容器,而是将范围限制在网络栈上。 ip
工具——是 iproute2的一部分: $ sudo ip netns add netns0
$ ip netns
netns0
nsenter
。进入一个或多个特定的命名空间,然后执行指定的脚本: $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 bash
# 新建的bash进程在netns0里
$ sudo ./inspect-net-stack.sh
> Network devices 1: lo: 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
netns0
命名空间,这时看到的是完全不同的网络栈。这里没有路由规则,没有自定义的iptables chain,只有一个loopback的网络设备。 man veth
可以看到,“veth设备是虚拟Ethernet设备。他们可以作为网络命名空间之间的通道(tunnel),从而创建连接到另一个命名空间里的物理网络设备的桥梁,但是也可以作为独立的网络设备使用。” $ sudo ip link add veth0 type veth peer name ceth0
veth0
和 ceth0
这两个名称。 $ ip link
1: lo: 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: 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: 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: 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
veth0
和 ceth0
都在主机的网络栈(也称为root网络命名空间)上。将 netns0
命名空间连接到root命名空间,需要将一个设备留在root命名空间,另一个挪到 netns0
里: $ sudo ip link set ceth0 netns netns0
# 列出所有设备,可以看到ceth0已经从root栈里消失了
$ ip link 1: lo: 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: 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: 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
$ sudo ip link set veth0 up
$ sudo ip addr add 172.18.0.11/16 dev veth0
$ 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: 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: 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
# 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
# 离开 netns0
$ exit
# 在root命名空间里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
netns0
命名空间访问其他地址,也同样可以成功: # 在 root 命名空间
$ ip addr show dev eth0
2: eth0: 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
# 记住这里IP是10.0.2.15
$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
# 尝试ping主机的eth0
$ ping 10.0.2.15
connect: Network is unreachable
# 尝试连接外网
$ ping 8.8.8.8
connect: Network is unreachable
netns0
路由表里没有这类包的路由。唯一的entry是如何到达 172.18.0.0/16
网络: # 在netns0命名空间:
$ ip route
172.18.0.0/16 dev ceth0 proto kernel scope link src 172.18.0.10
netns0
里的路由表是空的。但是随后我们添加了 ceth0
设备并且分配了IP地址 172.18.0.0/16
。因为我们使用的不是简单的IP地址,而是地址和子网掩码的组合,网络栈可以从其中提取出路由信息。目的地是 172.18.0.0/16
的每个网络包都会通过 ceth0
设备。但是其他包会被丢弃。类似的,root命名空间也有了个新的路由: # 在root命名空间:
$ ip route
# ... 忽略无关行 ...
172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11
veth
方案,在同一台主机上放置多个容器的话会发生什么呢?让我们尝试添加第二个容器。 # 从 root 命名空间
$ 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
# 从netns1无法连通root 命名空间!
$ 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
# 离开 `netns1`
$ exit
# 从 root 命名空间无法连通`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
# 从netns0可以连通`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
# 但是仍然无法连通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
netns1
有问题。它无法连接到root,并且从root命名空间里也无法访问到它。但是,因为两个容器都在相同的IP网段 172.18.0.0/16
里,从 netns0
容器可以访问到主机的 veth1
。 $ ip route
# ... 忽略无关行... #
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
veth
对之后,root的网络栈知道了新路由 172.18.0.0/16 dev veth1 proto kernel scope link src 172.18.0.21
,但是之前已经存在该网络的路由了。当第二个容器尝试ping veth1
时,选中的是第一个路由规则,这导致网络无法连通。如果我们删除第一个路由 sudo ip route delete 172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11
,然后重新检查连通性,应该就没有问题了。 netns1
可以连通,但是 netns0
就不行了。 netns1
选择其他的网段,应该就都可以连通。但是,多个容器在同一个IP网段上应该是合理的使用场景。因此,我们需要调整 veth
方案。 $ 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
veth0
和 veth1
设备分配任何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
$ 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
$ sudo ip link add br0 type bridge
$ sudo ip link set br0 up
veth0
和 veth1
接到网桥上: $ sudo ip link set veth0 master br0
$ sudo ip link set veth1 master br0
$ 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
veth0
和 veth1
。只需要在 ceth0
和 ceth1
端点分配两个IP地址。但是因为它们都连接在相同的Ethernet上(记住,它们连接到虚拟switch上),之间在L2层是连通的: $ 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
$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
$ ping 10.0.2.15 # eth0 address
connect: Network is unreachable
netns0
没有路由: $ ip route
172.18.0.0/16 dev ceth0 proto kernel scope link src 172.18.0.10
# 首先使用 exit 离开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
$ sudo ip addr add 172.18.0.1/16 dev br0
$ ip route
# ...忽略无关行 ...
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
eth0
。需要为容器添加默认的路由: $ 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
# 为`netns1`也做上述配置
# 在 root 命名空间
sudo bash -c 'echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward'
$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
$ ping 8.8.8.8
# hung住了...
172.18.0.10
。这个问题的解决方法称为 网络地址翻译(NAT)。在到达外部网络之前,容器发出的包会将源IP地址替换为主机的外部网络地址。主机还会跟踪所有已有的映射,会在将包转发回容器之前恢复之前被替换的IP地址。听上去很复杂,但是有一个好消息! iptables模块让我们只需要一条命令就可以完成这一切: $ sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 172.18.0.0/16 ! -o br0 -j MASQUERADE
nat
表里添加了一条 POSTROUTING
chain的新路由,会替换伪装所有源于 172.18.0.0/16
网络的包,但是不通过网桥接口。 $ 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
ACCEPT
: sudo iptables -S
-P INPUT ACCEPT
-P FORWARD ACCEPT
-P OUTPUT ACCEPT
$ 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
$ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0
$ python3 -m http.server --bind 172.18.0.10 5000
# 从 root 命名空间
$ curl 172.18.0.10:5000
# ... 忽略无关行 ...
eth0
: $ curl 10.0.2.15:5000
curl: (7) Failed to connect to 10.0.2.15 port 5000: Connection refused
eth0
5000端口的所有包转发到目的地 172.18.0.10:5000
。又是iptables来帮忙! # 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 (因为它没有通过 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
sudo modprobe br_netfilter
curl 10.0.2.15:5000
# ... 忽略无关行 ...
--network host
模式开始。试着比较一下命令 ip link
和 sudo docker run -it --rm --network host alpine ip link
的输出。它们几乎一样!在 host
模式下,Docker简单地没有使用网络命名空间隔离,容器就在root网络命名空间里工作,并且和主机共享网络栈。 --network none
。 sudo docker run -it --rm --network host alpine ip link
的输出只有一个loopback网络接口。这和之前创建的网络命名空间,没有添加 veth
设备前很相似。 --network bridge
(默认)模式。这正是我们前文尝试创建的模式。大家可以试试 ip
和 iptables
命令,分别从主机和容器的角度观察一下网络栈。 podman
容器管理器的一个很好的特性是关注于rootless容器。但是,你可能注意到,本文使用了很多 sudo
命令。说明,没有root权限无法配置网络。 Podman在root网络上的方案和docker非常相似。但是在rootless容器上,podman使用了 slirp4netns项目: rootless网络是很有限的:“从技术上说,容器本身没有IP地址,因为没有root权限,无法实现网络设备的关联。另外,从rootless容器ping是不会工作的,因为它缺少CAP_NET_RAW安全能力,而这是ping命令必需的。”但是它仍然比完全没有连接要好。
从Linux 3.8开始,非特权用户可以创建user_namespaces(7)的同时创建network_namespaces(7)。但是,非特权网络命名空间并不是很有用,因为在主机和网络命名空间之间创建veth(4)仍然需要root权限
slirp4netns可以用完全非特权的方式将网络命名空间连接到Internet上,通过网络命名空间里的一个TAP设备连接到用户态的TCP/IP栈(slirp)。