一篇文章讲明白 Docker 网络原理

Docker 原生网络是基于 Linux 的 网络命名空间（net namespace） 和 虚拟网络设备（veth pair）实现的。当 Docker 进程启动时，会在宿主机上创建一个名称为 docker0 的 虚拟网桥，在该宿主机上启动的 Docker 容器会连接到这个虚拟网桥上。

概述

Docker原生网络是基于 Linux 的网络命名空间（net namespace） 和虚拟网络设备（veth pair）实现的。当Docker进程启动时，会在宿主机上创建一个名称为docker0的虚拟网桥，在该宿主机上启动的Docker容器会连接到这个虚拟网桥上。

$ ifconfig

# 输出如下

docker0: ... mtu 1500
inet 172.17.0.1  netmask 255.255.0.0  broadcast 172.17.255.255
...

虚拟网桥的工作方式和物理交换机类似，宿主机上所有的容器通过虚拟网桥连接在一个二层网络中。

从docker0子网中分配一个 IP 给容器使用，并设置docker0的 IP 地址为容器的默认网关。在宿主机上创建一对虚拟网卡veth pair设备，Docker将veth pair设备的一端放在新创建的容器中，并命名为eth0（容器的网卡）， 另一端放在宿主机中，以vethxxx类似的名字命名， 并将这个网络设备连接到docker0网桥中。

Docker 会自动配置 iptables 规则和配置 NAT，便于连通宿主机上的docker0网桥，完成这些操作之后，容器就可以使用它的eth0虚拟网卡，来连接其他容器和访问外部网络。

Docker中的网络接口默认都是虚拟的接口，Linux 在内核中通过数据复制实现接口之间的数据传输，可以充分发挥数据在不同Docker容器或容器与宿主机之间的转发效率， 发送接口发送缓存中的数据包，将直接复制到接收接口的缓存中，无需通过物理网络设备进行交换。

# 查询主机上 veth 设备
$ ifconfig | grep veth*

veth06f40aa: 
...
vethfdfd27a:

图片来源: https://www.suse.com/c/rancher_blog/introduction-to-container-networking/

虚拟网桥docker0通过 iptables 配置与宿主机器上的网卡相连，符合条件的请求都会通过 iptables 转发到docker0, 然后分发给对应的容器。

# 查看 docker 的 iptables 配置
$ iptables -t nat -L

# 输出如下

Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
DOCKER     all  --  anywhere             anywhere             ADDRTYPE match dst-type LOCAL

Chain DOCKER (2 references)
target     prot opt source               destination
RETURN     all  --  anywhere             anywhere

网络驱动

Docker的网络子系统支持插拔式的驱动程序，默认存在多个驱动程序，并提供核心网络功能。

图片来源: Docker——容器与容器云

Docker daemon 通过调用 libnetwork 提供的 API 完成网络的创建和管理等功能。libnetwork 中使用了 CNM 来完成网络功能， CNM 中主要有沙盒（sandbox）、端点（endpoint）和网络（network）3 种组件。

•沙盒：一个沙盒包含了一个容器网络栈的信息。一个沙盒可以有多个端点和多个网络，沙盒可以对容器的接口、路由和 DNS 设置等进行管理，沙盒的实现可以是 Linux network namespace、FreeBSD Jail或者类似的机制

•端点：一个端点可以加入一个沙盒和一个网络。一个端点只属于一个网络和一个沙盒，端点的实现可以是 veth pair、Open vSwitch 内部端口或者相似的设备

•网络：一个网络是一组可以直接互相联通的端点。一个网络可以包含多个端点，网络的实现可以是Linux bridge、VLAN 等

bridge 模式

bridge是默认的网络模式，为容器创建独立的网络命名空间，容器具有独立的网卡等所有的网络栈。使用该模式的所有容器都是连接到docker0 这个网桥， 作为虚拟交换机使容器可以相互通信，但是由于宿主机的 IP 地址与容器 veth pair 的 IP 地址不在同一个网段，所以为了和宿主机以外的网络通信， Docker 采用了端口绑定的方式，也就是通过 iptables 的 NAT，将宿主机上的端口流量转发到容器。

bridge模式已经可以满足 Docker 容器最基本的使用需求了，但是其与外界通信时使用 NAT，增加了通信的复杂性，在复杂场景下使用会有限制。

$ docker network inspect bridge

# 输出如下 (节选部分信息)
[
    {
        "Name": "bridge",
        "Scope": "local",
        "Driver": "bridge",
        "EnableIPv6": false,
        "IPAM": {
            "Driver": "default",
            "Options": null,
            "Config": [
                {
                    "Subnet": "172.17.0.0/16",
                    "Gateway": "172.17.0.1"
                }
            ]
        },
        "Containers": {
            # 使用 bridge 网络的容器列表
        },
    }
]

通过上面的输出可以看到，虚拟网桥 的 IP 地址就是bridge网络类型的网关地址。

我们可以从输出的Containers容器列表中找一个容器，查看其网络类型和配置：

$ docker inspect 容器ID

# 输出如下 (节选部分信息)
[
  ...
  
  "NetworkSettings": {
    "Bridge": "",
    "Gateway": "172.17.0.1",
    "IPAddress": "172.17.0.4",
    "Networks": {
        "bridge": {
            "Gateway": "172.17.0.1",
            "IPAddress": "172.17.0.4",
        }
    }

  ...
]

通过上面的输出可以看到，虚拟网桥 的 IP 地址就是bridge网络类型的容器的网关地址。

实现机制

在 iptables 做了 DNAT 规则，实现端口转发功能:

# iptables 配置查看
$ iptables -t nat -vnL

# 输出如下
Chain PREROUTING (policy ACCEPT 37M packets, 2210M bytes)

...

0     0 DNAT       tcp  --  !docker0 *       0.0.0.0/0            0.0.0.0/0            tcp dpt:8080 to:172.17.0.4:80

当容器需要将端口映射到宿主机时，Docker会自动为该容器分配一个 IP 地址，同时新增一个 iptables 规则。

host 模式

容器不会获得一个独立的网络命名空间，而是和宿主机共用一个。容器不会虚拟出自己的网卡，配置自己的IP等，而是直接使用宿宿主机的。但是容器的其他方面，如文件系统、进程列表等还是和宿宿主机隔离的，容器对外界是完全开放的，能够访问到宿主机，就能访问到容器。

host模式降低了容器与容器之间、容器与宿主机之间网络层面的隔离性，虽然有性能上的优势，但是引发了网络资源的竞争与冲突，因此适用于容器集群规模较小的场景。

启动一个网络类型为host的Nginx容器：

$ docker run -d --net host nginx

Unable to find image 'nginx:latest' locally
latest: Pulling from library/nginx
...
f202870092fc40bc08a607dddbb2770df9bb4534475b066f45ea35252d6e76e2

查看网络类型为host的容器列表：

$ docker network inspect host

# 输出如下 (节选部分信息)
[
    {
        "Name": "host",
        "Scope": "local",
        "Driver": "host",
        "Internal": false,
        "Attachable": false,
        "Ingress": false,
        "ConfigFrom": {
            "Network": ""
        },
        "Containers": {
           # 使用 host 网络的容器列表  
           "f202870092fc40bc08a607dddbb2770df9bb4534475b066f45ea35252d6e76e2": {
                "Name": "frosty_napier",
                "EndpointID": "7306a8e4103faf4edd081182f015fa9aa985baf3560f4a49b9045c00dc603190",
                "MacAddress": "",
                "IPv4Address": "",
                "IPv6Address": ""
            }        
        },
    }
]

查看Nginx容器网络类型和配置：

$ docker inspect f202870092fc4

# 输出如下 (节选部分信息)
[
  ...
  
  "NetworkSettings": {
    "Bridge": "",
    "Gateway": "",
    "IPAddress": "",
    "Networks": {
        "host": {
            "Gateway": "",
            "IPAddress": "",
        }
    }
  ...
]

通过上面的输出可以看到，Nginx容器使用的网络类型是host，没有独立的 IP。

查看Nginx容器 IP 地址：

# 进入容器内部 shell

$ docker exec -it f202870092fc4 /bin/bash

# 安装 ip 命令

$ apt update && apt install -y iproute2

# 查看 IP 地址
$ ip a

# 输出如下
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    ...
2: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default
    ...
10: eth0@if11: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    ...
    
# 退出容器，查看宿主机 IP 地址
$ exit
$ ip a

# 输出如下
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    ...
2: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default
    ...
10: eth0@if11: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    ...

通过上面的输出可以看到，Nginx容器内部并没有独立的 IP，而是使用了宿主机的 IP。

查看宿主机的端口监听状态：

$ sudo netstat -ntpl

# 输出如下
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name
tcp        0      0 0.0.0.0:80              0.0.0.0:*               LISTEN      1378/nginx: master
tcp6       0      0 :::80                   :::*                    LISTEN      1378/nginx: master

通过上面的输出可以看到，监听80端口的进程为nginx, 而不是docker-proxy。

none 模式

容器拥有自己的 Network Namespace，但是并不进行任何网络配置。也就意味着该容器没有网卡、IP、路由等信息，需要手动为容器添加网卡、配置 IP 等，none模式下的容器会完全隔离，容器中只有 lo 这个 loopback（回环网络）网卡用于进程通信。

none模式为容器做了最少的网络设置，在没有网络配置的情况下，通过自定义配置容器的网络，提供了最高的灵活性。

启动一个网络类型为host的Nginx容器：

$ docker run -d --net none nginx

Unable to find image 'nginx:latest' locally
latest: Pulling from library/nginx
...
d2d0606b7d2429c224e61e06c348019b74cd47f0b8c85347a7cdb8f1e30dcf86

查看网络类型为none的容器列表：

$ docker network inspect none

# 输出如下 (节选部分信息)
[
    {
        "Name": "none",
        "Scope": "local",
        "Driver": "null",
        "Internal": false,
        "Attachable": false,
        "Ingress": false,
        "ConfigFrom": {
            "Network": ""
        },
        "Containers": {
           # 使用 none 网络的容器列表  
           "d2d0606b7d2429c224e61e06c348019b74cd47f0b8c85347a7cdb8f1e30dcf86": {
                "Name": "hardcore_chebyshev",
                "EndpointID": "b8ff645671518e608f403818a31b1db34d7fce66af60373346ea3ab673a4c6b2",
                "MacAddress": "",
                "IPv4Address": "",
                "IPv6Address": ""
            }        
        },
    }
]

查看Nginx容器网络类型和配置：

$ docker inspect d2d0606b7d242

# 输出如下 (节选部分信息)
[
  ...
  
  "NetworkSettings": {
    "Bridge": "",
    "Gateway": "",
    "IPAddress": "",
    "Networks": {
        "none": {
            "Gateway": "",
            "IPAddress": "",
        }
    }
  ...
]

通过上面的输出可以看到，Nginx容器使用的网络类型是none，没有独立的 IP。

查看Nginx容器 IP 地址：

# 进入容器内部 shell

$ docker exec -it d2d0606b7d242 /bin/bash

# 访问公网链接

$ curl -I "https://www.docker.com"

curl: (6) Could not resolve host: www.docker.com

# 为什么会报错呢？ 这是因为当前容器没有网卡、IP、路由等信息，是完全独立的运行环境，所以没有办法访问公网链接。

# 查看 IP 地址
$ hostname -I

# 没有任何输出，该容器没有 IP 地址

查看宿主机的端口监听状态：

$ docker port d2d0606b7d242

或者

$ sudo netstat -ntpl | grep :80

# 没有任何输出，Nginx 进程运行在容器中，端口没有映射到宿主机

container 模式

与host模式类似，容器与指定的容器共享网络命名空间。这两个容器之间不存在网络隔离，但它们与宿主机以及其他的容器存在网络隔离。该模式下的容器可以通过 localhost 来访问同一网络命名空间下的其他容器，传输效率较高，且节约了一定的网络资源。在一些特殊的场景中非常有用，例如 k8s 的 Pod。

其他模式

出于篇幅考虑，这里不再赘述其他网络模式，感兴趣的读者可以根据文章末尾的引用连接自行阅读。

网络驱动概述

• •当需要多个容器在同一台宿主机上进行通信时，使用bridge
• •当网络栈不应该与宿主机隔离，但是希望容器的其他方面被隔离时，使用host
• •当需要在不同宿主机上运行的容器进行通信时，使用overlay
• •当从虚拟机迁移或需要使容器看起来像物理宿主机时，使用Macvlan, 每个容器都有一个唯一的 MAC 地址
• •当需要将 Docker 与专门的网络栈集成，使用Third-party

Docker 和 iptables

如果在公网可以访问的服务器运行Docker，需要对应的iptables规则来限制访问主机上的容器或其他服务。

在 Docker 规则之前添加 iptables 规则

Docker 安装了两个名为DOCKER-USER和DOCKER的自定义iptables链，确保传入的数据包始终先由这两个链进行检查。

# 可以通过该命令查看

$ iptables -L -n -v | grep -i docker

Docker的所有iptables规则都被添加到Docker链中，不要手动修改此链 (可能会引发问题)。如果需要添加在一些在Docker之前加载的规则，将它们添加到DOCKER-USER链中，这些规则应用于Docker自动创建的所有规则之前。

添加到FORWARD链中的规则在这些链之后进行检测，这意味着如果通过Docker公开一个端口，那么无论防火墙配置了什么规则，该端口都会被公开。如果想让这些规则在通过Docker暴露端口时仍然适用，必须将这些规则添加到DOCKER-USER链中。

限制到 Docker 主机的连接

默认情况下，允许所有外部 IP连接Docker主机，为了只允许特定的 IP 或网络访问容器，在DOCKER-USER过滤器链的顶部插入一个规则。

例如，只允许 192.168.1.1 访问:

# 假设输入接口为 eth0
$ iptables -I DOCKER-USER -i eth0 ! -s 192.168.1.1 -j DROP

也可以允许来自源子网的连接，例如，允许 192.168.1.0/24 子网的用户访问:

# 假设输入接口为 eth0
$ iptables -I DOCKER-USER -i eth0 ! -s 192.168.1.0/24 -j DROP

阻止 Docker 操作 iptables

在Docker引擎的配置文件/etc/docker/daemon.json设置iptables的值为false，但是最好不要修改，因为这很可能破坏Docker引擎的容器网络。

为容器设置默认绑定地址

默认情况下，Docker守护进程将公开0.0.0.0地址上的端口，即主机上的任何地址。如果希望将该行为更改为仅公开内部 IP 地址上的端口，则可以使用--ip 选项指定不同的IP地址。

集成到防火墙

如果运行的是Docker 20.10.0或更高版本，在系统上启用了iptables,Docker会自动创建一个名为docker的防火墙区域， 并将它创建的所有网络接口 (例如 docker0 ) 加入到docker区域，以允许无缝组网。

运行命令将docker接口从防火墙区域中移除:

firewall-cmd --znotallow=trusted --remove-interface=docker0 --permanent
firewall-cmd --reload

Reference

•Networking overview[1]

•Networking tutorials[2]

•Docker and iptables[3]

•容器Docker详解[4]

•Introduction to Container Networking[5]

•docker 容器网络方案：calico 网络模型[6]

•Docker——容器与容器云[7]

引用链接

[1]​Networking overview:​​https://docs.docker.com/network/[2]​​​Networking tutorials:​​https://docs.docker.com/network/network-tutorial-standalone/[3]​​​Docker and iptables:​​https://docs.docker.com/network/iptables/​​

[4]​容器Docker详解:​​https://juejin.cn/post/6844903766601236487​​

[5]​Introduction to Container Networking:​​https://www.suse.com/c/rancher_blog/introduction-to-container-networking/​​

[6]​docker 容器网络方案：calico 网络模型:​​https://cizixs.com/2017/10/19/docker-calico-network/​​

[7]Docker——容器与容器云:https://book.douban.com/subject/26894736/