Kubernetes容器网络
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，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。
现在是时候解决容器网络问题了。或者更准确地说，单主机容器网络问题。这里会回答这些问题：

  • 如何虚拟化网络资源，让容器认为自己拥有独占网络？
  • 如何让容器们和平共处，之间不会互相干扰，并且能够互相通信？
  • 从容器内部如何访问外部世界（比如，互联网）？
  • 从外部世界如何访问某台机器上的容器呢（比如，端口发布）？

最终结果很明显，单主机容器网络是已知的 Linux 功能的简单组合：

  • 网络命名空间（namespace）
  • 虚拟 Ethernet设备（veth）
  • 虚拟网络交换机（网桥）
  • IP路由和网络地址翻译（NAT）

并且不需要任何代码就可以让这样的网络魔法发生……

前提条件

任意 Linux 发行版都可以。这里的所有例子都是在 vagrant CentOS 8 的虚拟机上执行的：

  1. $ vagrant init centos/8 
  2. $ vagrant up 
  3. $ vagrant ssh 
  5. [vagrant@localhost ~]$ uname -a 
  6. Linux localhost.localdomain 4.18.0-147.3.1.el8_1.x86_64

为了简单起见，这里使用容器化解决方案（比如，Docker 或者 Podman）。会重点介绍基本概念，并使用最简单的工具来达到学习目标。

network 命名空间隔离容器

Linux 网络栈包括哪些部分？显然，是一系列网络设备。还有别的吗？可能还包括一系列的路由规则。并且不要忘记，netfilter hook，包括由iptables规则定义的。
可以快速创建一个并不复杂的脚本 inspect-net-stack.sh：

  1. #!/usr/bin/env bash 
  2. echo  "> Network devices" 
  3. ip link 
  5. echo -e "\n> Route table" 
  6. ip route 
  8. echo -e "\n> Iptables rules" 
  9. iptables --list-rules

在运行脚本前，修改下 iptable rule：

  1. $ sudo iptables -N ROOT_NS

这之后，在机器上执行上面的脚本，输出如下：

  1. $ sudo ./inspect-net-stack.sh 
  2.     > Network devices 
  3.     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 
  4.     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.     > Route table 
  6.     default via 10.0.2.2 dev eth0 proto dhcp metric 100 
  7.     10.0.2.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.2.15 metric 100 
  8.     > Iptables rules 
  9.     -P INPUT ACCEPT 
  10.     -P FORWARD ACCEPT 
  11.     -P OUTPUT ACCEPT 
  12.     -N ROOT_NS

因为要确保即将创建的每个容器都有各自独立的网络栈。
现在已经知道了，用于容器隔离的一个 Linux 命名空间是网络命名空间（network namespace）。从 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。并没有创建完全隔离的容器，而是将范围限制在网络栈上。
创建网络命名空间的一种方法是 ip 工具，它是 iproute2 的一部分：

  1. $ sudo ip netns add netns0 
  2. $ ip netns 
  3. netns0

如何使用刚才创建的命名空间呢？一个很好用的命令 nsenter。进入一个或多个特定的命名空间，然后执行指定的脚本：

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 bash
  2. # 新建的 bash 进程在 netns0 里
  3. $ sudo ./inspect-net-stack.sh 
  4.   > Network devices 1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000 
  5.       link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00 
  6.   > Route table 
  7.   > Iptables rules 
  8.     -P INPUT ACCEPT 
  9.     -P FORWARD ACCEPT 
  10.     -P OUTPUT ACCEPT

从上面的输出可以清楚地看到 bash 进程运行在 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。

容器网络的工作原理 - 图1

使用虚拟的 Ethernet 设备（veth）将容器连接到主机上

如果无法和某个专有的网络栈通信，那么它看上去就没什么用。幸运的是，Linux 提供了好用的工具——虚拟 Ethernet设备。从 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。”
虚拟 Ethernet 设备通常都成对出现。不用担心，先看一下创建的脚本：

  1. $ sudo ip link add veth0 type veth peer name ceth0

用这条简单的命令，就可以创建一对互联的虚拟 Ethernet 设备。默认选择了 veth0 和 ceth0 这两个名称。

  1. $ ip link 
  2. 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000 
  3.  link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00 
  4. 2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
  5.   link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff 
  6. 5: ceth0@veth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000 
  7.   link/ether 66:2d:24:e3:49:3f brd ff:ff:ff:ff:ff:ff 
  8. 6: veth0@ceth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000 
  9.  link/ether 96:e8:de:1d:22:e0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

创建的 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：

  1. $ sudo ip link set ceth0 netns netns0 
  2. # 列出所有设备，可以看到 ceth0 已经从 root 栈里消失了 
  3. $ ip link 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000 
  4.   link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00 
  5.   2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP mode DEFAULT group default qlen 1000 
  6.   link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff 
  7.   6: veth0@if5: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000 
  8.   link/ether 96:e8:de:1d:22:e0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netns netns0

一旦启用设备并且分配了合适的 IP 地址，其中一个设备上产生的包会立刻出现在其配对设备里，从而连接起两个命名空间。从 root 命名空间开始：

  1. $ sudo ip link set veth0 up 
  2. $ sudo ip addr add 172.18.0.11/16 dev veth0

然后是 netns0：

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
  2. $ ip link set lo up 
  3. $ ip link set ceth0 up 
  4. $ ip addr add 172.18.0.10/16 dev ceth0 
  5. $ ip link 
  6. 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000 
  7.  link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00 
  8. 5: ceth0@if6: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000 
  9.  link/ether 66:2d:24:e3:49:3f brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

容器网络的工作原理 - 图2
检查连通性：

  1. # 在 netns0 里 ping root 的 veth0 
  2. $ ping -c 2 172.18.0.11 
  3.   PING 172.18.0.11 (172.18.0.11) 56(84) bytes of data. 
  4.   64 bytes from 172.18.0.11: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.038 ms 
  5.   64 bytes from 172.18.0.11: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.040 ms 
  6.   --- 172.18.0.11 ping statistics --- 
  7.   2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 58ms 
  8.   rtt min/avg/max/mdev = 0.038/0.039/0.040/0.001 ms 
  9. # 离开 netns0
  10. $ exit  
  11. # 在root命名空间里ping ceth0 
  12. $ ping -c 2 172.18.0.10 
  13.   PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data. 
  14.   64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.073 ms 
  15.   64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.046 ms 
  16.   --- 172.18.0.10 ping statistics --- 
  17.   2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 3ms 
  18.   rtt min/avg/max/mdev = 0.046/0.059/0.073/0.015 ms

同时，如果尝试从 netns0 命名空间访问其他地址，它是不可以成功的：

  1. # 在 root 命名空间 
  2. $ ip addr show dev eth0 
  3.   2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000 
  4.   link/ether 52:54:00:e3:27:77 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff 
  5.   inet 10.0.2.15/24 brd 10.0.2.255 scope global dynamic noprefixroute eth0 
  6.   valid_lft 84057sec preferred_lft 84057sec
  7.   inet6 fe80::5054:ff:fee3:2777/64 scope link 
  8.   valid_lft forever preferred_lft forever 
  9. # 记住这里 IP 是 10.0.2.15 
  10. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
  11. # 尝试ping主机的eth0 
  12. $ ping 10.0.2.15 
  13. connect: Network is unreachable 
  14. # 尝试连接外网
  15. $ ping 8.8.8.8 
  16. connect: Network is unreachable

这也很好理解。在 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：

  1. # 在netns0命名空间: 
  2. $ ip route 
  3. 172.18.0.0/16 dev ceth0 proto kernel scope link src 172.18.0.10

Linux 有好几种方式建立路由表。其中一种是直接从网络接口上提取路由。记住，命名空间创建后， netns0 里的路由表是空的。但是随后添加了 ceth0 设备并且分配了IP地址 172.18.0.0/16。因为使用的不是简单的 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：

  1. # 在root命名空间: 
  2. $ ip route 
  3. # ... 忽略无关行 ... 
  4. 172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11

这里，就可以回答第一个问题了。了解了如何隔离，虚拟化并且连接Linux网络栈。

使用虚拟网络 switch（网桥）连接容器

容器化思想的驱动力是高效的资源共享。所以，一台机器上只运行一个容器并不常见。相反，最终目标是尽可能地在共享的环境上运行更多的隔离进程。因此，如果按照上述 veth 方案，在同一台主机上放置多个容器的话会发生什么呢？尝试添加第二个容器。

  1. # 从 root 命名空间 
  2. $ sudo ip netns add netns1 
  3. $ sudo ip link add veth1 type veth peer name ceth1 
  4. $ sudo ip link set ceth1 netns netns1 
  5. $ sudo ip link set veth1 up 
  6. $ sudo ip addr add 172.18.0.21/16 dev veth1 
  7. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1 
  8. $ ip link set lo up 
  9. $ ip link set ceth1 up 
  10. $ ip addr add 172.18.0.20/16 dev ceth1

检查连通性：

  1. # 从 netns1 无法连通 root 命名空间! 
  2. $ ping -c 2 172.18.0.21 
  3. PING 172.18.0.21 (172.18.0.21) 56(84) bytes of data. 
  4. From 172.18.0.20 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable 
  5. From 172.18.0.20 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable 
  6. --- 172.18.0.21 ping statistics --- 
  7. 2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 55ms pipe 2 
  8. # 但是路由是存在的! 
  9. $ ip route 
  10. 172.18.0.0/16 dev ceth1 proto kernel scope link src 172.18.0.20 
  11. # 离开 netns1
  12. $ exit  
  13. # 从 root 命名空间无法连通 netns1 
  14. $ ping -c 2 172.18.0.20 
  15. PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data. 
  16. From 172.18.0.11 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable 
  17. From 172.18.0.11 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable 
  19. --- 172.18.0.20 ping statistics --- 
  20. 2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 23ms pipe 2 
  21. # 从netns0可以连通 veth1 
  22. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
  23. $ ping -c 2 172.18.0.21 
  24. PING 172.18.0.21 (172.18.0.21) 56(84) bytes of data. 
  25. 64 bytes from 172.18.0.21: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.037 ms 
  26. 64 bytes from 172.18.0.21: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.046 ms 
  27. --- 172.18.0.21 ping statistics --- 
  28. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 33ms 
  29. rtt min/avg/max/mdev = 0.037/0.041/0.046/0.007 ms 
  30. # 但是仍然无法连通 netns1 
  31. $ ping -c 2 172.18.0.20 
  32. PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data. 
  33. From 172.18.0.10 icmp_seq=1 Destination Host Unreachable 
  34. From 172.18.0.10 icmp_seq=2 Destination Host Unreachable 
  35. --- 172.18.0.20 ping statistics --- 
  36. 2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 63ms pipe 2

有地方出错了……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。
这里花了些时间来找到原因，不过很明显遇到的是路由问题。先查一下 root 命名空间的路由表：

  1. $ ip route 
  2.     # ... 忽略无关行... # 
  3.     172.18.0.0/16 dev veth0 proto kernel scope link src 172.18.0.11 
  4.     172.18.0.0/16 dev veth1 proto kernel scope link src 172.18.0.21

在添加了第二个 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。
容器网络的工作原理 - 图3
如果为 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，需要调整 veth 方案。
别忘了还有 Linux 网桥——另一种虚拟化网络技术！Linux 网桥作用类似于网络 switch。它会在连接到其上的接口间转发网络包。并且因为它是 switch，它是在 L2 层完成这些转发的。
试试这个工具。但是首先，需要清除已有设置，因为之前的一些配置现在不再需要了。删除网络命名空间：

  1. $ sudo ip netns delete netns0 
  2. $ sudo ip netns delete netns1 
  3. $ sudo ip link delete veth0 
  4. $ sudo ip link delete ceth0 
  5. $ sudo ip link delete veth1 
  6. $ sudo ip link delete ceth1

快速重建两个容器。注意，没有给新的veth0和veth1设备分配任何IP地址：

  1. $ sudo ip netns add netns0 
  2. $ sudo ip link add veth0 type veth peer name ceth0 
  3. $ sudo ip link set veth0 up 
  4. $ sudo ip link set ceth0 netns netns0 
  6. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
  7. $ ip link set lo up 
  8. $ ip link set ceth0 up 
  9. $ ip addr add 172.18.0.10/16 dev ceth0 
  10. $ exit 
  12. $ sudo ip netns add netns1 
  13. $ sudo ip link add veth1 type veth peer name ceth1 
  14. $ sudo ip link set veth1 up 
  15. $ sudo ip link set ceth1 netns netns1 
  17. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1 
  18. $ ip link set lo up 
  19. $ ip link set ceth1 up 
  20. $ ip addr add 172.18.0.20/16 dev ceth1 
  21. $ exit

确保主机上没有新的路由：

  1. $ ip route 
  2. default via 10.0.2.2 dev eth0 proto dhcp metric 100 
  3. 10.0.2.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.2.15 metric 100

最后创建网桥接口：

  1. $ sudo ip link add br0 type bridge 
  2. $ sudo ip link set br0 up

将veth0和veth1接到网桥上：

  1. $ sudo ip link set veth0 master br0 
  2. $ sudo ip link set veth1 master br0

容器网络的工作原理 - 图4
检查容器间的连通性：

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
  2. $ ping -c 2 172.18.0.20 
  3. PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data. 
  4. 64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.259 ms 
  5. 64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.051 ms 
  6. --- 172.18.0.20 ping statistics --- 
  7. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 2ms 
  8. rtt min/avg/max/mdev = 0.051/0.155/0.259/0.104 ms
  9. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1 
  10. $ ping -c 2 172.18.0.10 
  11. PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data. 
  12. 64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.037 ms 
  13. 64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.089 ms 
  14. --- 172.18.0.10 ping statistics --- 
  15. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 36ms 
  16. rtt min/avg/max/mdev = 0.037/0.063/0.089/0.026 ms

工作得很好。用这种新方案，根本不需要配置 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：

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
  2. $ ip neigh 
  3. 172.18.0.20 dev ceth0 lladdr 6e:9c:ae:02:60:de STALE 
  4. $ exit 
  6. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns1 
  7. $ ip neigh 
  8. 172.18.0.10 dev ceth1 lladdr 66:f3:8c:75:09:29 STALE 
  9. $ exit

学习了如何将容器变成友邻，让它们互不干扰，但是又可以连通。

连接外部世界（ IP 路由和地址伪装（masquerading））

容器间可以通信。但是它们能和主机，比如root命名空间，通信吗？

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
  2. $ ping 10.0.2.15 # eth0 address 
  3. connect: Network is unreachable

这里很明显，netns0 没有路由：

  1. $ ip route 
  2. 172.18.0.0/16 dev ceth0 proto kernel scope link src 172.18.0.10

root 命名空间不能和容器通信：

  1. # 首先使用 exit 离开netns0: 
  2. $ ping -c 2 172.18.0.10 
  3. PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data. 
  4. From 213.51.1.123 icmp_seq=1 Destination Net Unreachable 
  5. From 213.51.1.123 icmp_seq=2 Destination Net Unreachable 
  6. --- 172.18.0.10 ping statistics --- 
  7. 2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 3ms 
  9. $ ping -c 2 172.18.0.20 
  10. PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data. 
  11. From 213.51.1.123 icmp_seq=1 Destination Net Unreachable 
  12. From 213.51.1.123 icmp_seq=2 Destination Net Unreachable 
  13. --- 172.18.0.20 ping statistics --- 
  14. 2 packets transmitted, 0 received, +2 errors, 100% packet loss, time 3ms

要建立 root 和容器命名空间的连通性，需要给网桥网络接口分配 IP 地址：

  1. $ sudo ip addr add 172.18.0.1/16 dev br0

一旦给网桥网络接口分配了 IP 地址，在主机的路由表里就会多一条路由：

  1. $ ip route 
  2. # ...忽略无关行 ... 
  3. 172.18.0.0/16 dev br0 proto kernel scope link src 172.18.0.1 
  5. $ ping -c 2 172.18.0.10 
  6. PING 172.18.0.10 (172.18.0.10) 56(84) bytes of data. 
  7. 64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.036 ms 
  8. 64 bytes from 172.18.0.10: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.049 ms 
  10. --- 172.18.0.10 ping statistics --- 
  11. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 11ms 
  12. rtt min/avg/max/mdev = 0.036/0.042/0.049/0.009 ms 
  14. $ ping -c 2 172.18.0.20 
  15. PING 172.18.0.20 (172.18.0.20) 56(84) bytes of data. 
  16. 64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.059 ms 
  17. 64 bytes from 172.18.0.20: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.056 ms 
  19. --- 172.18.0.20 ping statistics --- 
  20. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 4ms 
  21. rtt min/avg/max/mdev = 0.056/0.057/0.059/0.007 ms

容器可能也可以 ping 网桥接口，但是它们还是无法连接到主机的 eth0。需要为容器添加默认的路由：

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
  2. $ ip route add default via 172.18.0.1 
  3. $ ping -c 2 10.0.2.15 
  4. PING 10.0.2.15 (10.0.2.15) 56(84) bytes of data. 
  5. 64 bytes from 10.0.2.15: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.036 ms 
  6. 64 bytes from 10.0.2.15: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.053 ms 
  7. --- 10.0.2.15 ping statistics --- 
  8. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 14ms 
  9. rtt min/avg/max/mdev = 0.036/0.044/0.053/0.010 ms 
  10.     # 为`netns1`也做上述配置

这个改动基本上把主机变成了路由，并且网桥接口变成了容器间的默认网关。
容器网络的工作原理 - 图5
将容器连接到 root 命名空间上。现在，继续尝试将它们连接到外部世界。Linux 上默认 disable 了网络包转发（比如，路由功能）。需要先启用这个功能：

  1. # 在 root 命名空间 
  2. sudo bash -c 'echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward'

再次检查连通性：

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
  2. $ ping 8.8.8.8 
  3. # hung住了...

还是不工作。哪里弄错了呢？如果容器可以向外部发包，那么目标服务器无法将包发回容器，因为容器的IP地址是私有的，那个特定 IP 的路由规则只有本地网络知道。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。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 模块只需要一条命令就可以完成这一切：

  1. $ sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 172.18.0.0/16 ! -o br0 -j MASQUERADE

命令非常简单。在 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。
检查连通性：

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
  2. $ ping -c 2 8.8.8.8 PING 8.8.8.8 (8.8.8.8) 56(84) bytes of data. 
  3. 64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=61 time=43.2 ms 
  4. 64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=2 ttl=61 time=36.8 ms 
  5. --- 8.8.8.8 ping statistics --- 
  6. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 2ms 
  7. rtt min/avg/max/mdev = 36.815/40.008/43.202/3.199 ms

要知道这里用的默认策略——允许所有流量，这在真实的环境里是非常危险的。主机的默认 iptables 策略是ACCEPT：

  1. sudo iptables -S 
  2. -P INPUT ACCEPT 
  3. -P FORWARD ACCEPT 
  4. -P OUTPUT ACCEPT

Docker 默认限制所有流量，随后仅仅为已知的路径启用路由。
如下是在 CentOS 8 机器上，单个容器暴露了端口 5005 时，由 Docker daemon 生成的规则：

  1. $ sudo iptables -t filter --list-rules 
  2. -P INPUT ACCEPT 
  3. -P FORWARD DROP 
  4. -P OUTPUT ACCEPT 
  5. -N DOCKER 
  6. -N DOCKER-ISOLATION-STAGE-1 
  7. -N DOCKER-ISOLATION-STAGE-2 
  8. -N DOCKER-USER 
  9. -A FORWARD -j DOCKER-USER 
  10. -A FORWARD -j DOCKER-ISOLATION-STAGE-1 
  11. -A FORWARD -o docker0 -m conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT
  12. -A FORWARD -o docker0 -j DOCKER 
  13. -A FORWARD -i docker0 ! -o docker0 -j ACCEPT 
  14. -A FORWARD -i docker0 -o docker0 -j ACCEPT 
  15. -A DOCKER -d 172.17.0.2/32 ! -i docker0 -o docker0 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j ACCEPT 
  16. -A DOCKER-ISOLATION-STAGE-1 -i docker0 ! -o docker0 -j DOCKER-ISOLATION-STAGE-2 
  17. -A DOCKER-ISOLATION-STAGE-1 -j RETURN 
  18. -A DOCKER-ISOLATION-STAGE-2 -o docker0 -j DROP 
  19. -A DOCKER-ISOLATION-STAGE-2 -j RETURN 
  20. -A DOCKER-USER -j RETURN 
  22. $ sudo iptables -t nat --list-rules 
  23. -P PREROUTING ACCEPT 
  24. -P INPUT ACCEPT 
  25. -P POSTROUTING ACCEPT 
  26. -P OUTPUT ACCEPT 
  27. -N DOCKER 
  28. -A PREROUTING -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER 
  29. -A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o docker0 -j MASQUERADE 
  30. -A POSTROUTING -s 172.17.0.2/32 -d 172.17.0.2/32 -p tcp -m tcp --dport 5000 -j MASQUERADE
  31. -A OUTPUT ! -d 127.0.0.0/8 -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER 
  32. -A DOCKER -i docker0 -j RETURN 
  33. -A DOCKER ! -i docker0 -p tcp -m tcp --dport 5005 -j DNAT --to-destination 172.17.0.2:5000 
  35. $ sudo iptables -t mangle --list-rules 
  36. -P PREROUTING ACCEPT 
  37. -P INPUT ACCEPT 
  38. -P FORWARD ACCEPT 
  39. -P OUTPUT ACCEPT
  40.  -P POSTROUTING ACCEPT 
  42. $ sudo iptables -t raw --list-rules 
  43. -P PREROUTING ACCEPT 
  44. -P OUTPUT ACCEPT

让外部世界可以访问容器（端口发布）

大家都知道可以将容器端口发布给一些（或者所有）主机的接口。但是端口发布到底是什么意思呢？
假设容器内运行着服务器：

  1. $ sudo nsenter --net=/var/run/netns/netns0 
  2. $ python3 -m http.server --bind 172.18.0.10 5000

如果试着从主机上发送一个HTTP请求到这个服务器，一切都工作得很好（root命名空间和所有容器接口之间有链接，当然可以连接成功）：

  1. # 从 root 命名空间 
  2. $ curl 172.18.0.10:5000 
  3. <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"  "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd"> 
  4. # ... 忽略无关行 ...

但是，如果要从外部访问这个服务器，应该使用哪个IP呢？唯一 IP 是主机的外部接口地址 eth0：

  1. $ curl 10.0.2.15:5000 
  2. curl: (7) Failed to connect to 10.0.2.15 port 5000: Connection refused

因此，需要找到方法，能够将到达主机 eth0 5000端口的所有包转发到目的地 172.18.0.10:5000。又是i ptables来帮忙！

  1. # 外部流量  
  2.     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 
  3.     # 本地流量 (因为它没有通过 PREROUTING chain) 
  4.     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

另外，需要让iptables能够在桥接网络上截获流量：

  1. sudo modprobe br_netfilter

测试：

  1. curl 10.0.2.15:5000 
  2. <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"  "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">
  3.       # ... 忽略无关行 ...

理解 Docker 网络驱动

可以怎么使用这些知识呢？比如，可以试着理解 Docker网络模式。
从 --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。
下一个模式是--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。
最后是 --network bridge（默认）模式。这正是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。

rootless 容器和网络

Podman 容器管理器的一个很好的特性是关注于 rootless 容器。但是，这里使用了很多 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：
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）。
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。

结论

这里介绍的组织容器网络的方案仅仅是可能方案的一种（可能是最为广泛使用的一种）。还有很多别的方式，由官方或者第三方插件实现，但是所有这些方案都严重依赖于 Linux 网络虚拟化技术。因此，容器化可以认为是一种虚拟化技术。

相关链接：

  1. https://docs.docker.com/network/#network-drivers
  2. https://www.redhat.com/sysadmin/container-networking-podman
  3. https://github.com/rootless-containers/slirp4netns
  4. https://developers.redhat.com/blog/2018/10/22/introduction-to-linux-interfaces-for-virtual-networking/