Docker源码分析（七）：Docker Container网络 （上）
http://www.infoq.com/cn/articles/docker-source-code-analysis-part7
1.前言(什么是Docker Container)
如今，Docker技術大行其道，大家在嘗試以及玩轉Docker的同時，肯定離不開一個概念，那就是“容器”或者“Docker Container”。那么我們首先從實現的角度來看看“容器”或者“Docker Container”到底為何物。
逐漸熟悉Docker之后，大家肯定會深深得感受到：應用程序在Docker Container內部的部署與運行非常便捷，只要有Dockerfile，應用一鍵式的部署運行絕對不是天方夜譚； Docker Container內運行的應用程序可以受到資源的控制與隔離，大大滿足云計算時代應用的要求。毋庸置疑，Docker的這些特性，傳統模式下應用是完全不具備的。然而，這些令人眼前一亮的特性背后，到底是誰在“作祟”，到底是誰可以支撐Docker的這些特性？不知道這個時候，大家是否會聯想到強大的Linux內核。
其實，這很大一部分功能都需要歸功于Linux內核。那我們就從Linux內核的角度來看看Docker到底為何物，先從Docker Container入手。關于Docker Container，體驗過的開發者第一感覺肯定有兩點：內部可以跑應用（進程），以及提供隔離的環境。當然，后者肯定也是工業界稱之為“容器”的原因之一。
既然Docker Container內部可以運行進程，那么我們先來看Docker Container與進程的關系，或者容器與進程的關系。首先，我提出這樣一個問題供大家思考“容器是否可以脫離進程而存在”。換句話說，能否創建一個容器，而這個容器內部沒有任何進程。
可以說答案是否定的。既然答案是否定的，那說明不可能先有容器，然后再有進程，那么問題又來了，“容器和進程是一起誕生，還是先有進程再有容器呢？”可以說答案是后者。以下將慢慢闡述其中的原因。
闡述問題“容器是否可以脫離進程而存在”的原因前，相信大家對于以下的一段話不會持有異議：通過Docker創建出的一個Docker Container是一個容器，而這個容器提供了進程組隔離的運行環境。那么問題在于，容器到底是通過何種途徑來實現進程組運行環境的“隔離”。這時，就輪到Linux內核技術隆重登場了。
說到運行環境的“隔離”，相信大家肯定對Linux的內核特性namespace和cgroup不會陌生。namespace主要負責命名空間的隔離，而cgroup主要負責資源使用的限制。其實，正是這兩個神奇的內核特性聯合使用，才保證了Docker Container的“隔離”。那么，namespace和cgroup又和進程有什么關系呢？問題的答案可以用以下的次序來說明：
(1) 父進程通過fork創建子進程時，使用namespace技術，實現子進程與其他進程（包含父進程）的命名空間隔離；
(2) 子進程創建完畢之后，使用cgroup技術來處理子進程，實現進程的資源使用限制；
(3) 系統在子進程所處namespace內部，創建需要的隔離環境，如隔離的網絡棧等；
(4) namespace和cgroup兩種技術都用上之后，進程所處的“隔離”環境才真正建立，這時“容器”才真正誕生！
從Linux內核的角度分析容器的誕生，精簡的流程即如以上4步，而這4個步驟也恰好巧妙的闡述了namespace和cgroup這兩種技術和進程的關系，以及進程與容器的關系。進程與容器的關系，自然是：容器不能脫離進程而存在，先有進程，后有容器。然而，大家往往會說到“使用Docker創建Docker Container（容器），然后在容器內部運行進程”。對此，從通俗易懂的角度來講，這完全可以理解，因為“容器”一詞的存在，本身就較為抽象。如果需要更為準確的表述，那么可以是：“使用Docker創建一個進程，為這個進程創建隔離的環境，這樣的環境可以稱為Docker Container（容器），然后再在容器內部運行用戶應用進程。”當然，筆者的本意不是想否定很多人對于Docker Container或者容器的認識，而是希望和讀者一起探討Docker Container底層技術實現的原理。
對于Docker Container或者容器有了更加具體的認識之后，相信大家的眼球肯定會很快定位到namespace和cgroup這兩種技術。Linux內核的這兩種技術，竟然能起到如此重大的作用，不禁為之贊嘆。那么下面我們就從Docker Container實現流程的角度簡要介紹這兩者。
首先講述一下namespace在容器創建時的用法，首先從用戶創建并啟動容器開始。當用戶創建并啟動容器時，Docker Daemon 會fork出容器中的第一個進程A（暫且稱為進程A，也就是Docker Daemon的子進程）。Docker Daemon執行fork時，在clone系統調用階段會傳入5個參數標志CLONE_NEWNS、CLONE_NEWUTS、CLONE_NEWIPC、CLONE_NEWPID和CLONE_NEWNET（目前Docker 1.2.0還沒有完全支持user namespace）。Clone系統調用一旦傳入了這些參數標志，子進程將不再與父進程共享相同的命名空間（namespace），而是由Linux為其創建新的命名空間（namespace），從而保證子進程與父進程使用隔離的環境。另外，如果子進程A再次fork出子進程B和C，而fork時沒有傳入相應的namespace參數標志，那么此時子進程B和C將會與A共享同一個命令空間（namespace）。如果Docker Daemon再次創建一個Docker Container，容器內第一個進程為D，而D又fork出子進程E和F，那么這三個進程也會處于另外一個新的namespace。兩個容器的namespace均與Docker Daemon所在的namespace不同。Docker關于namespace的簡易示意圖如下：
圖1.1 Docker中namespace示意圖
再說起cgroup，大家都知道可以使用cgroup為進程組做資源的控制。與namespace不同的是，cgroup的使用并不是在創建容器內進程時完成的，而是在創建容器內進程之后再使用cgroup，使得容器進程處于資源控制的狀態。換言之，cgroup的運用必須要等到容器內第一個進程被真正創建出來之后才能實現。當容器內進程被創建完畢，Docker Daemon可以獲知容器內進程的PID信息，隨后將該PID放置在cgroup文件系統的指定位置，做相應的資源限制。
可以說Linux內核的namespace和cgroup技術，實現了資源的隔離與限制。那么對于這種隔離與受限的環境，是否還需要配置其他必需的資源呢。這回答案是肯定的，網絡棧資源就是在此時為容器添加。當為容器進程創建完隔離的運行環境時，發現容器雖然已經處于一個隔離的網絡環境（即新的network namespace），但是進程并沒有獨立的網絡棧可以使用，如獨立的網絡接口設備等。此時，Docker Daemon會將Docker Container所需要的資源一一為其配備齊全。網絡方面，則需要按照用戶指定的網絡模式，配置Docker Container相應的網絡資源。
2.Docker Container網絡分析內容安排
Docker Container網絡篇將從源碼的角度，分析Docker Container從無到有的過程中，Docker Container網絡創建的來龍去脈。Docker Container網絡創建流程可以簡化如下圖：
圖2.1 Docker Container網絡創建流程圖
Docker Container網絡篇分析的主要內容有以下5部分：
(1) Docker Container的網絡模式；
(2) Docker Client配置容器網絡；
(3) Docker Daemon創建容器網絡流程；
(4) execdriver網絡執行流程；
(5) libcontainer實現內核態網絡配置。
Docker Container網絡創建過程中，networkdriver模塊使用并非是重點，故分析內容中不涉及networkdriver。這里不少讀者肯定會有疑惑。需要強調的是，networkdriver在Docker中的作用：第一，為Docker Daemon創建網絡環境的時候，初始化Docker Daemon的網絡環境（詳情可以查看《Docker源碼分析》系列第六篇），比如創建docker0網橋等；第二，為Docker Container分配IP地址，為Docker Container做端口映射等。而與Docker Container網絡創建有關的內容極少，只有在橋接模式下，為Docker Container的網絡接口設備分配一個可用IP地址。
本文為《Docker源碼分析》系列第七篇——Docker Container網絡（上）。
3.Docker Container網絡模式
正如在上文提到的，Docker可以為Docker Container創建隔離的網絡環境，在隔離的網絡環境下，Docker Container獨立使用私有網絡。相信很多的Docker開發者也是體驗過Docker這方面的網絡特性。
其實，Docker除了可以為Docker Container創建隔離的網絡環境之外，同樣有能力為Docker Container創建共享的網絡環境。換言之，當開發者需要Docker Container與宿主機或者其他容器網絡隔離時，Docker可以滿足這樣的需求；而當開發者需要Docker Container與宿主機或者其他容器共享網絡時，Docker同樣可以滿足這樣的需求。另外，Docker還可以不為Docker Container創建網絡環境。
總結Docker Container的網絡，可以得出4種不同的模式：bridge橋接模式、host模式、other container模式和none模式。以下初步介紹4中不同的網絡模式。
3.1 bridge橋接模式
Docker Container的bridge橋接模式可以說是目前Docker開發者最常使用的網絡模式。Brdige橋接模式為Docker Container創建獨立的網絡棧，保證容器內的進程組使用獨立的網絡環境，實現容器間、容器與宿主機之間的網絡棧隔離。另外，Docker通過宿主機上的網橋(docker0)來連通容器內部的網絡棧與宿主機的網絡棧，實現容器與宿主機乃至外界的網絡通信。
Docker Container的bridge橋接模式可以參考下圖：
圖3.1 Docker Container Bridge橋接模式示意圖
Bridge橋接模式的實現步驟主要如下：
(1) Docker Daemon利用veth pair技術，在宿主機上創建兩個虛擬網絡接口設備，假設為veth0和veth1。而veth pair技術的特性可以保證無論哪一個veth接收到網絡報文，都會將報文傳輸給另一方。
(2) Docker Daemon將veth0附加到Docker Daemon創建的docker0網橋上。保證宿主機的網絡報文可以發往veth0；
(3) Docker Daemon將veth1添加到Docker Container所屬的namespace下，并被改名為eth0。如此一來，保證宿主機的網絡報文若發往veth0，則立即會被eth0接收，實現宿主機到Docker Container網絡的聯通性；同時，也保證Docker Container單獨使用eth0，實現容器網絡環境的隔離性。
Bridge橋接模式，從原理上實現了Docker Container到宿主機乃至其他機器的網絡連通性。然而，由于宿主機的IP地址與veth pair的 IP地址均不在同一個網段，故僅僅依靠veth pair和namespace的技術，還不足以是宿主機以外的網絡主動發現Docker Container的存在。為了使得Docker Container可以讓宿主機以外的世界感知到容器內部暴露的服務，Docker采用NAT（Network Address Translation，網絡地址轉換）的方式，讓宿主機以外的世界可以主動將網絡報文發送至容器內部。
具體來講，當Docker Container需要暴露服務時，內部服務必須監聽容器IP和端口號port_0，以便外界主動發起訪問請求。由于宿主機以外的世界，只知道宿主機eth0的網絡地址，而并不知道Docker Container的IP地址，哪怕就算知道Docker Container的IP地址，從二層網絡的角度來講，外界也無法直接通過Docker Container的IP地址訪問容器內部應用。因此，Docker使用NAT方法，將容器內部的服務監聽的端口與宿主機的某一個端口port_1進行“綁定”。
如此一來，外界訪問Docker Container內部服務的流程為：
(1) 外界訪問宿主機的IP以及宿主機的端口port_1；
(2) 當宿主機接收到這樣的請求之后，由于DNAT規則的存在，會將該請求的目的IP（宿主機eth0的IP）和目的端口port_1進行轉換，轉換為容器IP和容器的端口port_0;
(3) 由于宿主機認識容器IP，故可以將請求發送給veth pair；
(4) veth pair的veth0將請求發送至容器內部的eth0，最終交給內部服務進行處理。
使用DNAT方法，可以使得Docker宿主機以外的世界主動訪問Docker Container內部服務。那么Docker Container如何訪問宿主機以外的世界呢。以下簡要分析Docker Container訪問宿主機以外世界的流程：
(1) Docker Container內部進程獲悉宿主機以外服務的IP地址和端口port_2，于是Docker Container發起請求。容器的獨立網絡環境保證了請求中報文的源IP地址為容器IP（即容器內部eth0），另外Linux內核會自動為進程分配一個可用源端口（假設為port_3）;
(2) 請求通過容器內部eth0發送至veth pair的另一端，到達veth0，也就是到達了網橋（docker0）處；
(3) docker0網橋開啟了數據報轉發功能（/proc/sys/net/ipv4/ip_forward），故將請求發送至宿主機的eth0處；
(4) 宿主機處理請求時，使用SNAT對請求進行源地址IP轉換，即將請求中源地址IP（容器IP地址）轉換為宿主機eth0的IP地址；
(5) 宿主機將經過SNAT轉換后的報文通過請求的目的IP地址（宿主機以外世界的IP地址）發送至外界。
在這里，很多人肯定會問：對于Docker Container內部主動發起對外的網絡請求，當請求到達宿主機進行SNAT處理后發給外界，當外界響應請求時，響應報文中的目的IP地址肯定是Docker宿主機的IP地址，那響應報文回到宿主機的時候，宿主機又是如何轉給Docker Container的呢？關于這樣的響應，由于port_3端口并沒有在宿主機上做相應的DNAT轉換，原則上不會被發送至容器內部。為什么說對于這樣的響應，不會做DNAT轉換呢。原因很簡單，DNAT轉換是針對容器內部服務監聽的特定端口做的，該端口是供服務監聽使用，而容器內部發起的請求報文中，源端口號肯定不會占用服務監聽的端口，故容器內部發起請求的響應不會在宿主機上經過DNAT處理。
其實，這一環節的內容是由iptables規則來完成，具體的iptables規則如下：
iptables -I FORWARD -o docker0 -m conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT這條規則的意思是，在宿主機上發往docker0網橋的網絡數據報文，如果是該數據報文所處的連接已經建立的話，則無條件接受，并由Linux內核將其發送到原來的連接上，即回到Docker Container內部。
以上便是Docker Container中bridge橋接模式的簡要介紹。可以說，bridger橋接模式從功能的角度實現了兩個方面：第一，讓容器擁有獨立、隔離的網絡棧；第二，讓容器和宿主機以外的世界通過NAT建立通信。
然而，bridge橋接模式下的Docker Container在使用時，并非為開發者包辦了一切。最明顯的是，該模式下Docker Container不具有一個公有IP，即和宿主機的eth0不處于同一個網段。導致的結果是宿主機以外的世界不能直接和容器進行通信。雖然NAT模式經過中間處理實現了這一點，但是NAT模式仍然存在問題與不便，如：容器均需要在宿主機上競爭端口，容器內部服務的訪問者需要使用服務發現獲知服務的外部端口等。另外NAT模式由于是在三層網絡上的實現手段，故肯定會影響網絡的傳輸效率。
3.2 host模式
Docker Container中的host模式與bridge橋接模式有很大的不同。最大的區別當屬，host模式并沒有為容器創建一個隔離的網絡環境。而之所以稱之為host模式，是因為該模式下的Docker Container會和host宿主機共享同一個網絡namespace，故Docker Container可以和宿主機一樣，使用宿主機的eth0，實現和外界的通信。換言之，Docker Container的IP地址即為宿主機eth0的IP地址。
Docker Container的host網絡模式可以參考下圖：
圖3.2 Docker Container host網絡模式示意圖
上圖最左側的Docker Container，即采用了host網絡模式，而其他兩個Docker Container依然沿用brdige橋接模式，兩種模式同時存在于宿主機上并不矛盾。
Docker Container的host網絡模式在實現過程中，由于不需要額外的網橋以及虛擬網卡，故不會涉及docker0以及veth pair。上文namespace的介紹中曾經提到，父進程在創建子進程時，如果不使用CLONE_NEWNET這個參數標志，那么創建出的子進程會與父進程共享同一個網絡namespace。Docker就是采用了這個簡單的原理，在創建進程啟動容器的過程中，沒有傳入CLONE_NEWNET參數標志，實現Docker Container與宿主機共享同一個網絡環境，即實現host網絡模式。
可以說，Docker Container的網絡模式中，host模式是bridge橋接模式很好的補充。采用host模式的Docker Container，可以直接使用宿主機的IP地址與外界進行通信，若宿主機的eth0是一個公有IP，那么容器也擁有這個公有IP。同時容器內服務的端口也可以使用宿主機的端口，無需額外進行NAT轉換。當然，有這樣的方便，肯定會損失部分其他的特性，最明顯的是Docker Container網絡環境隔離性的弱化，即容器不再擁有隔離、獨立的網絡棧。另外，使用host模式的Docker Container雖然可以讓容器內部的服務和傳統情況無差別、無改造的使用，但是由于網絡隔離性的弱化，該容器會與宿主機共享競爭網絡棧的使用；另外，容器內部將不再擁有所有的端口資源，原因是部分端口資源已經被宿主機本身的服務占用，還有部分端口已經用以bridge網絡模式容器的端口映射。
3.3 other container模式
Docker Container的other container網絡模式是Docker中一種較為特別的網絡的模式。之所以稱為“other container模式”，是因為這個模式下的Docker Container，會使用其他容器的網絡環境。之所以稱為“特別”，是因為這個模式下容器的網絡隔離性會處于bridge橋接模式與host模式之間。Docker Container共享其他容器的網絡環境，則至少這兩個容器之間不存在網絡隔離，而這兩個容器又與宿主機以及除此之外其他的容器存在網絡隔離。
Docker Container的other container網絡模式可以參考下圖：
圖3.3 Docker Container other container網絡模式示意圖
上圖右側的Docker Container即采用了other container網絡模式，它能使用的網絡環境即為左側Docker Container brdige橋接模式下的網絡。
Docker Container的other container網絡模式在實現過程中，不涉及網橋，同樣也不需要創建虛擬網卡veth pair。完成other container網絡模式的創建只需要兩個步驟：
(1) 查找other container（即需要被共享網絡環境的容器）的網絡namespace；
(2) 將新創建的Docker Container（也是需要共享其他網絡的容器）的namespace，使用other container的namespace。
Docker Container的other container網絡模式，可以用來更好的服務于容器間的通信。
在這種模式下的Docker Container可以通過localhost來訪問namespace下的其他容器，傳輸效率較高。雖然多個容器共享網絡環境，但是多個容器形成的整體依然與宿主機以及其他容器形成網絡隔離。另外，這種模式還節約了一定數量的網絡資源。但是需要注意的是，它并沒有改善容器與宿主機以外世界通信的情況。
3.4 none模式
Docker Container的第四種網絡模式是none模式。顧名思義，網絡環境為none，即不為Docker Container任何的網絡環境。一旦Docker Container采用了none網絡模式，那么容器內部就只能使用loopback網絡設備，不會再有其他的網絡資源。
可以說none模式為Docker Container做了極少的網絡設定，但是俗話說得好“少即是多”，在沒有網絡配置的情況下，作為Docker開發者，才能在這基礎做其他無限多可能的網絡定制開發。這也恰巧體現了Docker設計理念的開放。
轉載于:https://www.cnblogs.com/davidwang456/articles/9602936.html
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以上是生活随笔為你收集整理的Docker源码分析（七）：Docker Container网络 （上）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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