docker容器虚拟化1、虚拟化网络

Network Namespace 是 Linux 内核提供的一种功能，是实现网络虚拟化的关键，它能够创建多个隔离的网络空间，每个空间拥有独立的网络栈信息。无论是虚拟机还是容器，在运行时都仿佛处于独立的网络中。不同Network Namespace的资源是相互不可见的，因此它们之间无法直接通信。

实例1

假设一台物理机有4块物理网卡，可以创建4个名称空间（NS），每个网卡设备可以单独关联到一个特定的名称空间中。

这4个网卡分别对应一个唯一的名称空间。各名称空间相互隔离，彼此不可见，因此一个设备对应一个名称空间。

因为与物理网卡绑定，每个名称空间可以直接连接外网，并配置IP地址。

# 容器端网卡if5,ip
[root@localhost ~]# docker run -it --rm busybox/ 
# ip a
1: lo:  mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
4: eth0@if5:  mtu 1500 qdisc noqueue 
     link/ether 02:42:ac:11:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
# 宿主机网卡if4,ip
[root@localhost ~]# ip a
......
5: veth2d6f8e9@if4:  mtu 1500 qdisc noqueue master docker0 state UP group default 
     link/ether 1a:66:5e:d2:c1:66 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet6 fe80::1866:5eff:fed2:c166/64 scope link 
        valid_lft forever preferred_lft forever 
       # ping外网测试
[root@localhost ~]# docker run -it --rm busybox/ 
# ping www.baidu.com
PING www.baidu.com (182.61.200.7): 56 data bytes
64 bytes from 182.61.200.7: seq=0 ttl=127 time=22.262 ms
64 bytes from 182.61.200.7: seq=1 ttl=127 time=22.218 ms
^C--- www.baidu.com ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 22.218/22.240/22.262 ms

实例2

如果名称空间的数量超过物理网卡的数量，我们可以使用虚拟网卡设备，通过纯软件的方式来模拟一组设备。

Linux内核支持两种级别的设备模拟：二层设备（交换机）和三层设备（路由器）。

Linux内核模拟的二层设备的网络接口设备是成对出现的；Linux内核原生支持二层虚拟网桥设备，即用软件虚拟交换机的功能。如下图所示：

此时再创建一个名称空间，并配置相同网段，这两个名称空间可以相互通信，如下图所示：

从网络通信的物理设备到网卡都是用纯软件的方式来实现，这种实现方式称为虚拟化网络。

2、单节点容器间通信

如果同一台物理机上的两个容器需要通信，我们可以在该主机上建立一个虚拟交换机，然后让两个容器各自通过纯软件的方式创建一对虚拟网卡，一半在容器上，一半在虚拟交换机上，从而实现通信。如下图所示：

# 创建两个容器
[root@localhost ~]# docker ps
CONTAINER ID   IMAGE     COMMAND   CREATED          STATUS          PORTS     NAMES
323d804ed27e   busybox   "sh"      3 seconds ago    Up 2 seconds              bus2
2c791ac9dba2   busybox   "sh"      16 seconds ago   Up 16 seconds             bus1
# 查看容器bus1的ip
[root@localhost ~]# docker exec -it bus1 /bin/sh
/ # ip a
1: lo:  mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
6: eth0@if7:  mtu 1500 qdisc noqueue 
     link/ether 02:42:ac:11:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
# 查看容器bus2的ip
[root@localhost ~]# docker exec -it bus2 /bin/sh
/ # ip a
1: lo:  mtu 65536 qdisc noqueue qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
8: eth0@if9:  mtu 1500 qdisc noqueue 
     link/ether 02:42:ac:11:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.3/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
# 用容器bus2ping容器bus1
/ # ping 172.17.0.2
PING 172.17.0.2 (172.17.0.2): 56 data bytes
64 bytes from 172.17.0.2: seq=0 ttl=64 time=0.100 ms
64 bytes from 172.17.0.2: seq=1 ttl=64 time=0.081 ms
^C--- 172.17.0.2 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.081/0.090/0.100 ms

如果容器需要跨交换机通信，该如何操作呢？

我们可以创建两个虚拟交换机，每个交换机连接不同的容器，如下图所示。如果要让C1和C3通信，可以通过名称空间创建一对网卡，一端连接SW1，另一端连接SW2，这样两个交换机就连起来了，C1和C3这两个位于不同交换机的容器就可以实现通信。

然而，如果C1和C3不在同一网络中呢？

如果不在同一网络，我们必须通过路由转发才能使其通信，也就是在两台交换机之间添加一个路由器。Linux内核本身支持路由转发，只需启用路由转发功能即可。我们可以启动一个容器，在该容器内运行一个内核，并启用其转发功能，这样就模拟了一台路由器，通过这台路由器实现路由转发。如下图所示：

3、不同节点容器间通信

要实现c1和c5的通信，使用桥接容易产生广播风暴，因此尽量避免使用桥接方式进行通信。

如果既不能使用桥接，又需要与外部实现通信，我们只能使用NAT技术。通过DNAT将容器的端口暴露到宿主机上，通过访问宿主机的端口来实现访问容器内部的目的，而在请求端我们需要做SNAT将数据包通过宿主机的真实网卡转发出去。

由于NAT转换需要两次，因此效率较低。

此时，我们可以采用一种称为Overlay Network（叠加网络）的技术来实现不同节点间容器的相互通信功能。

Overlay Network会将报文进行隧道转发，也就是在报文发出去之前为其添加一个IP首部，如上图中的1.1和1.2部分，这里的1.1是源，1.2是目标。当宿主机2收到报文后解封装，发现目标容器是C2，于是将包转发给C2。