Docker网络详解：从基础到四种网络模式

Docker网络详解：从基础到四种网络模式

Docker作为容器技术的代表，其网络实现机制一直是开发者关注的重点。本文将深入探讨Docker的网络基础、实现方式以及四种主要的网络模式（bridge、host、container、none），帮助读者全面理解Docker容器网络的工作原理。

1. Docker的网络基础

1.1. Network Namespace

不同的网络命名空间中，协议栈是独立的，完全隔离，彼此之间无法通信。同一个网络命名空间有独立的路由表和独立的Iptables/Netfilter来提供包的转发、NAT、IP包过滤等功能。

1.1.1. 网络命名空间的实现

将与网络协议栈相关的全局变量变成一个Net Namespace变量的成员，然后在调用协议栈函数中加入一个Namepace参数。

1.1.2. 网络命名空间的操作

1. 创建网络命名空间

   ip netns add name
   

2. 在命名空间内执行命令

   ip netns exec name command
   

3. 进入命名空间

   ip netns exec name bash
   

2. Docker的网络实现

2.1. 容器网络

Docker使用Linux桥接，在宿主机虚拟一个Docker容器网桥(docker0)，Docker启动一个容器时会根据Docker网桥的网段分配给容器一个IP地址，称为Container-IP，同时Docker网桥是每个容器的默认网关。因为在同一宿主机内的容器都接入同一个网桥，这样容器之间就能够通过容器的Container-IP直接通信。

Docker网桥是宿主机虚拟出来的，并不是真实存在的网络设备，外部网络是无法寻址到的，这也意味着外部网络无法通过直接Container-IP访问到容器。如果容器希望外部访问能够访问到，可以通过映射容器端口到宿主主机（端口映射），即docker run创建容器时候通过 -p 或 -P 参数来启用，访问容器的时候就通过[宿主机IP]:[容器端口]访问容器。

2.2. 4类网络模式

3. Docker网络模式

3.1. bridge桥接模式

在bridge模式下，Docker可以使用独立的网络栈。实现方式是父进程在创建子进程的时候通过传入CLONE_NEWNET的参数创建出一个网络命名空间。

实现步骤：

1. Docker Daemon首次启动时会创建一个虚拟网桥docker0，地址通常为172.x.x.x开头，在私有的网络空间中给这个网络分配一个子网。
2. 由Docker创建处理的每个容器，都会创建一个虚拟以太设备对（veth pair），一端关联到网桥，另一端使用Namespace技术映射到容器内的eth0设备，然后从网桥的地址段内给eth0接口分配一个IP地址。

一般情况，宿主机IP与docker0 IP、容器IP是不同的IP段，默认情况，外部看不到docker0和容器IP，对于外部来说相当于docker0和容器的IP为内网IP。

3.1.1. 外部网络访问Docker容器

外部访问docker容器可以通过端口映射(NAT)的方式，Docker使用NAT的方式将容器内部的服务与宿主机的某个端口port_1绑定。

外部访问容器的流程如下：

1. 外界网络通过宿主机的IP和映射的端口port_1访问。
2. 当宿主机收到此类请求，会通过DNAT将请求的目标IP即宿主机IP和目标端口即映射端口port_1替换成容器的IP和容器的端口port_0。
3. 由于宿主机上可以识别容器IP，所以宿主机将请求发给veth pair。
4. veth pair将请求发送给容器内部的eth0，由容器内部的服务进行处理。

3.1.2. Docker容器访问外部网络

docker容器访问外部网络的流程：

1. docker容器向外部目标IP和目标端口port_2发起请求，请求报文中的源IP为容器IP。
2. 请求通过容器内部的eth0到veth pair的另一端docker0网桥。
3. docker0网桥通过数据报转发功能将请求转发到宿主机的eth0。
4. 宿主机处理请求时通过SNAT将请求中的源IP换成宿主机eth0的IP。
5. 处理后的报文通过请求的目标IP发送到外部网络。

3.1.3. 缺点

使用NAT的方式可能会带来性能的问题，影响网络传输效率。

3.2. host模式

host模式并没有给容器创建一个隔离的网络环境，而是和宿主机共用一个网络命名空间，容器使用宿主机的eth0和外界进行通信，同样容器也共用宿主机的端口资源，即分配端口可能存在与宿主机已分配的端口冲突的问题。

实现的方式即父进程在创建子进程的时候不传入CLONE_NEWNET的参数，从而和宿主机共享一个网络空间。

host模式没有通过NAT的方式进行转发因此性能上相对较好，但是不存在网络隔离性，可能产生端口冲突的问题。

3.3. container模式

container模式即docker容器可以使用其他容器的网络命名空间，即和其他容器处于同一个网络命名空间。

步骤：

1. 查找其他容器的网络命名空间。
2. 新创建的容器的网络命名空间使用其他容器的网络命名空间。

通过和其他容器共享网络命名空间的方式，可以让不同的容器之间处于相同的网络命名空间，可以直接通过localhost的方式进行通信，简化了强关联的多个容器之间的通信问题。

k8s中的pod的概念就是通过一组容器共享一个网络命名空间来达到pod内部的不同容器可以直接通过localhost的方式进行通信。

3.4. none模式

none模式即不为容器创建任何的网络环境，用户可以根据自己的需要手动去创建不同的网络定制配置。

参考：

• 《Docker源码分析》