Docker网络及flannel介绍

半兽人 发表于: 2017-05-19   最后更新时间: 2022-08-04 21:27:00  
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1.初识

介绍docker的网络之前，必须先认识docker所依赖的几个linux技术，这对理解docker的网络有帮助。本节仅简单介绍。

1.1 网络命名空间：

Linux Namespaces 机制提供一种资源隔离方案。PID，IPC，Network等系统资源不再是全局性的，而是属于特定的Namespace。每个Namespace里面的资源对其他Namespace都不可见。Linux提供6种命名空间，网络命名空间是其中的一种。

一个Network Namespace提供了一份独立的网络环境，包括网卡、路由、Iptable规则等都与其他的Network Namespace隔离。一个Docker容器“通常”会分配一个独立的Network Namespace。“通常”的意思是如果docker以host模式启动则与主机在同一个命名空间。

这样每个docker容器就好像拥有了一套独立的网络环境，甚至以为自己霸占了全部的主机，也许这也是使人们经常认为容器就是虚机的原因之一。

1.2 Veth设备对

Veth设备对可以在不同的网络命名空间之间通信，用他们可以连接两个网络命名空间。一对veth设备就像网线的两头一样。

1.3 网桥

简单来说，桥接就是把一台机器上的若干个网络接口“连接”起来。其结果是，其中一个网口收到的报文会被复制给其他网口并发送出去。以使得网口之间的报文能够互相转发。类似交换机。

linux内核支持网口的桥接与交换机有一点点不同不同，交换机只是一个二层设备，对于接收到的报文，要么转发、要么丢弃。而运行着linux内核的机器本身就是一台主机，有可能就是网络报文的目的地。其收到的报文除了转发和丢弃，还可能被送到网络协议栈的上层（网络层），从而被自己消化。

在docker启动时，会在主机上创建一个docker0网桥。通过docker0在同一个主机上的容器之间都可以通信，外部的消息也可以经过docker0进入容器。后面还会讲到。

ifconfig
docker0   Link encap:以太网  硬件地址 02:42:df:66:95:96 
          inet 地址:172.17.0.1  广播:0.0.0.0  掩码:255.255.0.0
          inet6 地址: fe80::42:dfff:fe66:9596/64 Scope:Link
          UP  BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1

2 Docker网络模式

Docker有以下4种网络模式：

  • host模式，使用--net=host指定。
  • container模式，使用--net=container:NAME_or_ID指定。
  • none模式，使用--net=none指定。
  • bridge模式，使用--net=bridge指定，默认设置。

2.1 Bridge模式

2.1.1 模式介绍

我们重点讲这个模式。Bridge是默认模式，正常docker启动时都已这个模式启动。在这个模式下当Docker server启动时，会在主机上创建一个名为 docker0 的虚拟网桥，此主机上启动的Docker容器会连接到这个虚拟网桥上。Docker0拥有一个自己的ip地址，有的书上说是172.17.42.1，但是我的机器上是172.17.0.1。总之是个172段的内部地址，机器外是访问不了的。

ifconfig
docker0    Link encap:以太网  硬件地址  02:42:df:66:95:96 
           inet 地址:172.17.0.1  广播:0.0.0.0  掩码:255.255.0.0
           inet6 地址:  fe80::42:dfff:fe66:9596/64 Scope:Link
           UP BROADCAST MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1
           接收数据包:7 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0
           发送数据包:30 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0
           碰撞:0 发送队列长度:0
           接收字节:480 (480.0  B)  发送字节:4909  (4.9 KB)
eth0       Link encap:以太网  硬件地址  08:00:27:02:6c:8b 
           inet 地址:10.43.86.110  广播:10.43.86.255  掩码:255.255.255.0
           inet6 地址:  fe80::a00:27ff:fe02:6c8b/64 Scope:Link
           UP BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1
           接收数据包:140296 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0
           发送数据包:30286 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0
           碰撞:0 发送队列长度:1000
           接收字节:9847208 (9.8  MB)  发送字节:2946052  (2.9 MB)
lo         Link encap:本地环回 
           inet 地址:127.0.0.1  掩码:255.0.0.0
           inet6 地址: ::1/128  Scope:Host
           UP LOOPBACK RUNNING   MTU:65536  跃点数:1
           接收数据包:130 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0
           发送数据包:130 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0
           碰撞:0 发送队列长度:0
          接收字节:17199  (17.1 KB)  发送字节:17199 (17.1 KB)

Docker容器处在自己的网络命名空间中，容器之间怎么互通呢，就是连这个docker0网桥。这里就用到前面另一个概念veth对。可以把veth对看成网线的两头，他一头在容器里另一头在主机上。下面我们建个容器，然后看看主机上ip的变化。

$ docker run -it ubuntu         // 启动一个ubuntu镜像

root@3337bb998bf3:/# ifconfig   // 容器里的ip地址
eth0       Link encap:Ethernet  HWaddr  02:42:ac:11:00:03// 这个硬件地址也是docker分配的
           inet  addr:172.17.0.3   Bcast:0.0.0.0  Mask:255.255.0.0
           inet6 addr: fe80::42:acff:fe11:3/64 Scope:Link
           UP BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  Metric:1
           RX packets:18 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
           TX packets:6 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
           collisions:0 txqueuelen:0
           RX bytes:2912 (2.9 KB)  TX bytes:508 (508.0 B)
lo         Link encap:Local Loopback 
           inet addr:127.0.0.1   Mask:255.0.0.0
           inet6 addr: ::1/128 Scope:Host
           UP LOOPBACK RUNNING   MTU:65536  Metric:1
           RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
           TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
           collisions:0 txqueuelen:0
          RX bytes:0 (0.0 B)  TX bytes:0 (0.0 B)

$ ifconfig  //主机的地址
docker0    Link encap:以太网  硬件地址  02:42:df:66:95:96 
           inet 地址:172.17.0.1  广播:0.0.0.0  掩码:255.255.0.0
           inet6 地址:  fe80::42:dfff:fe66:9596/64 Scope:Link
           UP BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1
           接收数据包:14 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0
           发送数据包:30 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0
           碰撞:0 发送队列长度:0
           接收字节:960 (960.0  B)  发送字节:4909  (4.9 KB)
eth0       Link encap:以太网  硬件地址  08:00:27:02:6c:8b 
           inet 地址:10.43.86.110  广播:10.43.86.255  掩码:255.255.255.0
           inet6 地址:  fe80::a00:27ff:fe02:6c8b/64 Scope:Link
           UP BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1
           接收数据包:207853 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0
           发送数据包:30418 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0
           碰撞:0 发送队列长度:1000
           接收字节:14099886 (14.0  MB)  发送字节:2966220  (2.9 MB)

lo         Link encap:本地环回  
           inet 地址:127.0.0.1  掩码:255.0.0.0
           inet6 地址: ::1/128  Scope:Host
           UP LOOPBACK RUNNING   MTU:65536  跃点数:1
           接收数据包:154 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0
           发送数据包:154 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0
           碰撞:0 发送队列长度:0
           接收字节:20370 (20.3  KB)  发送字节:20370  (20.3 KB)

veth8e0ee35 Link encap:以太网   硬件地址  5a:34:bf:13:00:f5  /// 这时在主机命名空间里面出现了一个veth，即veth对的一头。另一头在容器里呢，并且被容器改名为eth0了。
           inet6 地址:  fe80::5834:bfff:fe13:f5/64 Scope:Link
           UP BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1
           接收数据包:7 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0
           发送数据包:21 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0
           碰撞:0 发送队列长度:0
          接收字节:578  (578.0 B)  发送字节:3516 (3.5 KB)

好了现在可以看到几个结论，在bridge模式下：

  • 主机上面会有一个docker0的网桥
  • 每个容器都与docker0连通，所以同主机上的容器之间也连通
  • 每个主机上容器的地址都是从172.17.0.2开始往后分

如图：

docker网络

2.1.2 通信

Docker会修改系统的路由规则来控制消息收发，这节就表达这一个意思。

在docker启动之后通过iptables-save查看，可以看到关于docker0的几个规则，他们使得docker0网桥可以收发消息。同一主机中的容器之间就可以通信。

$ sudo iptables-save
# Generated by iptables-save v1.4.21 on  Wed Jan 27 10:49:15 2016
*nat
:PREROUTING ACCEPT [10631:1010228]
:INPUT ACCEPT [1268:199346]
:OUTPUT ACCEPT [3169:190771]
:POSTROUTING ACCEPT [3170:190855]
:DOCKER - [0:0]
-A PREROUTING -m addrtype --dst-type  LOCAL -j DOCKER
-A OUTPUT ! -d 127.0.0.0/8 -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER
-A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o  docker0 -j MASQUERADE
COMMIT
# Completed on Wed Jan 27 10:49:15 2016
# Generated by iptables-save v1.4.21 on  Wed Jan 27 10:49:15 2016
*filter
:INPUT ACCEPT [15605:2501897]
:FORWARD ACCEPT [0:0]
:OUTPUT ACCEPT [31535:2534237]
:DOCKER - [0:0]
-A FORWARD -o docker0 -j DOCKER
-A FORWARD -o docker0 -m  conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT
-A FORWARD -i docker0 ! -o  docker0 -j ACCEPT
-A FORWARD -i docker0 -o  docker0 -j ACCEPT
COMMIT
# Completed on Wed  Jan 27 10:49:15 2016

如果使用-p参数将容器端口暴露出来docker run -it -p 2200:22 -d ubuntu，再通过iptables-save查看信息，会发现多出了两条规则。他们使得发送到主机地址和2200端口的消息可以送到docker0上，从而进入容器内。这样就使得容器内可以和主机外通信。

$ sudo iptables-save
# Generated by iptables-save v1.4.21 on  Wed Jan 27 10:56:17 2016
*nat
:PREROUTING ACCEPT [40:4571]
:INPUT ACCEPT [4:623]
:OUTPUT ACCEPT [9:558]
:POSTROUTING ACCEPT [9:558]
:DOCKER - [0:0]
-A PREROUTING -m addrtype --dst-type  LOCAL -j DOCKER
-A OUTPUT ! -d 127.0.0.0/8 -m addrtype  --dst-type LOCAL -j DOCKER
-A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o docker0  -j MASQUERADE
-A POSTROUTING -s 172.17.0.4/32 -d 172.17.0.4/32 -p tcp -m tcp  --dport 22 -j MASQUERADE
-A DOCKER ! -i docker0 -p tcp -m tcp --dport 2200 -j DNAT --to-destination 172.17.0.4:22
COMMIT
# Completed on Wed Jan 27 10:56:17 2016
# Generated by iptables-save v1.4.21 on  Wed Jan 27 10:56:17 2016
*filter
:INPUT ACCEPT [49:8589]
:FORWARD ACCEPT [0:0]
:OUTPUT ACCEPT [47:6227]
:DOCKER - [0:0]
-A FORWARD -o docker0 -j DOCKER
-A FORWARD -o docker0 -m conntrack  --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT
-A FORWARD -i docker0 ! -o docker0 -j  ACCEPT
-A FORWARD -i docker0 -o docker0 -j  ACCEPT
-A DOCKER -d 172.17.0.4/32 ! -i docker0  -o docker0 -p tcp -m tcp --dport 22 -j ACCEPT
COMMIT
# Completed on Wed  Jan 27 10:56:17 2016

事实上，kubernetes的service-Pod之间的寻址也是通过挂载路由规则实现的。Flannel也是通过路由规则使得docker0上的消息可以发到flannel0，进而实现docker集群中Node结点之间的互通。因本文并不是介绍这些开源工具的原理，所以不在路由表这上面做过多展开，我们只需知道kubernetes、flannel等都是通过修改路由规则来解决他们的问题的，这样在使用他们的时候不至于总是思考“咋通的呢”，“他背后是什么东西实现的呢”。

3 模式问题

3.1 Bridge模式

Bridge模式可以解决同主机内容器的通信，同时可以看到几个问题：

  • docker容器之间想要连通需要在同一台主机上，跨主机无法通信

  • 容器的ip地址都docker分配的，一般都从172.17.0.2开始，不同主机上的容器地址有可能是相同的。Docker集群要解决这个问题，不能让他们相同。

在解决这些问题之前，我们先把另外docker的三个模式简单介绍一下。后面介绍的flannel是解决这些问题的方案之一。

3.2 Host模式

如果启动容器的时候使用host模式，那么这个容器将不会获得一个独立的Network Namespace，而是和宿主机共用一个Network Namespace。容器将不会虚拟出自己的网卡，配置自己的IP等，而是使用宿主机的IP和端口。

当我们在容器中执行任何类似ifconfig命令查看网络环境时，看到的都是宿主机上的信息。而外界访问容器中的应用，则直接使用物理机器地址即可，就如直接跑在宿主机中一样。但是，容器的其他方面，如文件系统、进程列表等还是和宿主机隔离的。

3.3 Container模式

这个模式指定新创建的容器和已经存在的一个容器共享一个Network Namespace，而不是和宿主机共享。新创建的容器不会创建自己的网卡，配置自己的IP，而是和一个指定的容器共享IP、端口范围等。同样，两个容器除了网络方面，其他的如文件系统、进程列表等还是隔离的。

kubernetes中一个Pod内的容器共享网络，就是在pod内有容器使用了这种网络模式。

3.4 None模式

在这种模式下，Docker容器拥有自己的Network Namespace，但是，并不为Docker容器进行任何网络配置。也就是说，这个Docker容器没有网卡、IP、路由等信息。需要我们自己为Docker容器添加网卡、配置IP等。

Flannel介绍

Flannel是CoreOS团队针对Kubernetes设计的一个网络规划服务，简单来说，它的功能是让集群中的不同节点主机创建的Docker容器都具有全集群唯一的虚拟IP地址。并且连通主机节点的网络。

但在默认的Docker配置中，每个节点上的Docker服务会分别负责所在节点容器的IP分配。这样导致的一个问题是，不同节点上容器可能获得相同的内外IP地址。Flannel的设计目的就是为集群中的所有节点重新规划IP地址的使用规则，从而使得不同节点上的容器能够获得同属一个内网且不重复的IP地址，并让属于不同节点上的容器能够直接通过内网IP通信。 默认的节点间数据通信方式是UDP转发。

下图来自网络：
flannel架构图

简单的说flannel做了三件事情：

  1. 数据从源容器中发出后，经由所在主机的docker0虚拟网卡转发到flannel0虚拟网卡，这是个P2P的虚拟网卡，flanneld服务监听在网卡的另外一端。Flannel也是通过修改Node的路由表实现这个效果的。

  2. 源主机的flanneld服务将原本的数据内容UDP封装后根据自己的路由表投递给目的节点的flanneld服务，数据到达以后被解包，然后直接进入目的节点的flannel0虚拟网卡，然后被转发到目的主机的docker0虚拟网卡，最后就像本机容器通信一样由docker0路由到达目标容器。

  3. 使每个结点上的容器分配的地址不冲突。Flannel通过Etcd分配了每个节点可用的IP地址段后，再修改Docker的启动参数。--bip=X.X.X.X/X这个参数，它限制了所在节点容器获得的IP范围。

Flannel安装和使用

1.1 安装flannel

解压文件，tar -zxvf xxx.tar

Flannel路径在：

在系统中增加两个文件：

在 /etc/init/ 增加flanneld.conf文件，内容见最下面。
在 /etc/default/ 增加flanneld文件，内容见最下面。

1.2 启动ETCD：

前面说到了，flannel需要通过ETCD管理每个结点分配的地址段。所以先启动etcd。当然在kubernetes集群系统里面，kubernetes也要求启动etcd。这里提一下，需要先启动flannel之后再通过kubectl启动容器，因为需要通过flannel限制docker容器的ip地址段。看完后面就理解了。

./etcd--listen-client-urls=https://0.0.0.0:4001 --listen-peer-urls=https://0.0.0.0:7001&

设置本集群的容器ip地址段。

 etcdctl rm /coreos.com/network/ --recursive
./etcdctlmk /coreos.com/network/config '{"Network":"172.200.0.0/16"}'

设置完可以查看一下：

etcdctl get  /coreos.com/network/config
{"Network":"172.200.0.0/16"}

Network是本集群docker容器可分配的代码段，由flannel管理。不能和机器实际物理结点ip冲突，最好搞个和谁都不冲突的，随便写。

1.3 启动flannel

执行：ip link set dev docker0 down  
执行：brctl delbr docker0
进入flannel/bin 路径，  
sudo./flanneld  -etcd-endpoints=https://ETCD所在机器的IP地址:4001-iface=eth0&

$ sudo ./flanneld  -etcd-endpoints=https://10.43.86.110:4001
[sudo] password for het:
I0120 21:31:00.282318 30969 main.go:275]  Installing signal handlers
I0120 21:31:00.788024 30969 main.go:130]  Determining IP address of default interface
I0120 21:31:00.925879 30969 main.go:188]  Using 10.43.86.110 as external interface
I0120 21:31:01.025180 30969 main.go:189]  Using 10.43.86.110 as external endpoint
I0120 21:31:01.331261 30969 etcd.go:204]  Picking subnet in range 172.200.1.0 ... 172.200.255.0
I0120 21:31:01.418648 30969 etcd.go:84] Subnet lease acquired:  172.200.59.0/24
I0120 21:31:02.359643 30969 udp.go:222]  Watching for new subnet leases

Flannel启动之后会创建一个文件 subnet.env ，可以打开看一下

$ vi flannel/subnet.env

FLANNEL_NETWORK=172.200.0.0/16 ////这个就是在etcd里面设置的地址段
FLANNEL_SUBNET=172.200.59.1/24  /// 这个就是为本结点分配的容器地址段
FLANNEL_MTU=1472
FLANNEL_IPMASQ=false

下面让flannel产生的地址段生效，控制docker容器的ip地址分配。

执行：source /run/flannel/subnet.env
执行：sudo rm /var/run/docker.pid
执行：sudo docker -d --bip=${FLANNEL_SUBNET}--mtu=${FLANNEL_MTU} &

可以看到上面的操作就是把flannel启动起来，把他的地址段提出来，然后设置一下docker的启动参数。

好了，下面可以测试一下。

测试：执行docker run -it ubuntu /bin/bash

ifconfig查看容器被分配的IP。非flannel时docker的ip是172.17.0.X，如果上面的成功，此时分配的IP应该为172.200.59.x。

至此一个docker集群的网络就打通了，在另一个主机上也是按这样操作，注意启动flannel时要指定到同一个etcd。

附录 flanneld.conf

description "Flannel service"
   author "@chenxingyu"

   start on (net-device-up
     and local-filesystems
     and runlevel [2345])
   stop on runlevel [016]

   respawn
   respawn limit 10 5

   pre-start script
       FLANNEL=/usr/bin/$UPSTART_JOB
       if [ -f /etc/default/$UPSTART_JOB ]; then
           . /etc/default/$UPSTART_JOB
       fi
       if [ -f $FLANNEL ]; then
           exit 0
       fi
   exit 22
   end script

   script
       # modify these in /etc/default/$UPSTART_JOB (/etc/default/docker)
       FLANNEL=/usr/bin/$UPSTART_JOB
       FLANNEL_OPTS=""
       if [ -f /etc/default/$UPSTART_JOB ]; then
           . /etc/default/$UPSTART_JOB
       fi
       exec "$FLANNEL" $FLANNEL_OPTS
  end script
flannel
更新于 2022-08-04
半兽人

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