DEEP DIVE INTO DOCKER OVERLAY NETWORKS : PART 1（深入理解Docker的Overlay网络 1）

概述

在使用docke集群的时候，不可避免的会遇到网络问题，那么在遇到网络问题后如何做有效的排查呢，这需要我们对于docker集群网络本身实现有深入的理解，以下这篇文章非常好的诠释了整个docker集群网络的结构和原理，文章分为3部分，我也将分三次翻译。

原文地址

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作者：LAURENT BERNAILLE

介绍

在D2SI，我们在非常早期就开始使用Docker并帮助很多Docker项目发布到生产环境，我们相信将一项技术应用到生产环境中，需要深入理解这项技术以便能够debug复杂的问题，分析异常行为以及定位性能退化的情况。这也就是为什么我们尽最大努力去理解Docker所使用的各个技术组件。

这篇blog主要关注Docker的overlay网络，Docker的overlay网络依赖下面几项技术：

  1. network namespaces
  2. VXLAN
  3. Netlink and distributed key-value store

这篇文章将一项一项的讲述这些技术和相关的用户空间的工具，并且利用实践的方式展示这些技术是如何相互配合来完成overlay网络的设置，使得其中的容器能够相互连接。

这篇文章来源于我在Austin的DockerCon2017演讲，幻灯片可以在此处获取。

所有在这篇文章中使用的代码可以在GitHub上获取。

Docker Overlay 网络

首先，我们将在Docker的宿主机之间构建一个overlay网络，在例子中，我们将使用3台主机：两台运行Docker，一台运行Consul。Docker将使用Consul存储overlay网络的元数据，包括容器IP，MAC地址和容器的位置。这些信息将被所有的Docker engines所共享。在Docker1.12版本之前，Docker使用一个外部的key-value存储（Etcd or Consul）来创建overlay网络和Docker Swarms（现在经常被称为“classic Swarm”）。从Docker1.12开始，Docker使用内部的Key-Value存储去创建Swarm和overlay网络（“Swarm mode” or “new swarm”）。我们选择使用Consul是因为Consul允许我们查看Docker存储的keys并且能够更好的理解key-value存储的所扮演的角色。我们将Consul运行在单台主机上，但是在实际环境中我们至少需要3个节点组成的集群来保证系统的弹性（容灾）。

在我们的例子中，所用服务的IP地址如下：

  • consul: 10.0.0.5
  • docker0: 10.0.0.10
  • docker1: 10.0.0.11
网络

启动Consul 和 Docker服务

首先，我们需要启动Consul服务。为此，先下载Consul。然后利用以下命令启动一个非常小的Consul服务：

$ consul agent -server -dev -ui -client 0.0.0.0

我们实用如下的flags:

  • server: 以server模式启动consul agent
  • dev: 启动一个独立的没有持久化的Console服务
  • ui: 启动一个简单的web界面，以便我们可以查看Docker存储的keys和对应的values
  • client 0.0.0.0: 绑定所有的网卡，以便客户端访问（默认只绑定127.0.0.1）

为了使Docker engines 使用 Consul来作为key-value存储，我们使用如下的选项来启动Docker daemons

$ dockerd -H fd:// --cluster-store=consul://consul:8500 --cluster-advertise=eth0:2376

cluster-advertise可选项用于Docker宿主机指定哪一个IP地址发布到集群中（这个选项不是可选的）。这个命令假设consul能够被解析到10.0.0.5这个IP地址。

如果我们打开Consul的UI，我们可以看到Docker创建了一些keys，但是网络相关的key：http://consul:8500/v1/kv/docker/network/v1.0/network/](http://consul:8500/v1/kv/docker/network/v1.0/network/) 还是空的。

consul

你可以使用在GitHub上的terroform步骤很方便的在AWS上面构建相同的环境。所有默认的配置（特别是所使用的region）都在variables.tf里面。你得给key_pair变量赋值，不管是通过命令行的方式（terraform apply -var key_pair=demo）还是通过修改variable.tf文件。这三个实例需要配置实际的数据：consul和docker的安装和启动相关的选项都配置的足够好，但是需要添加一条记录到/etc/hosts，以便consul能够被解析成consul服务所在机器的IP地址。当需要连接consul或者docker服务的时候，你需要使用Public IP地址（在 terraform 的输出中给出），并且连接的时候使用用户为“admin”（the terraform setup uses a debian AMI）。

创建一个Overlay

我们可以在两个Docker节点之间创建一个overlay网络：

docker0:~$ docker network create --driver overlay --subnet 192.168.0.0/24 demonet
13fb802253b6f0a44e17e2b65505490e0c80527e1d78c4f5c74375aff4bf882a

创建网络的时候选择overlay驱动，并且选择192.168.0.0/24来作为overlay的子网（子网选项是可选的，但是我们想让这个地址跟主机地址完全不同，以方便分析）

然后我们在各个docker主机上列出当前的网络来验证一下overlay配置的正确性

docker0:~$ docker network ls
NETWORK ID          NAME                DRIVER              SCOPE
eb096cb816c0        bridge              bridge              local
13fb802253b6        demonet             overlay             global
d538d58b17e7        host                host                local
f2ee470bb968        none                null                local

docker1:~$ docker network ls
NETWORK ID          NAME                DRIVER              SCOPE
eb7a05eba815        bridge              bridge              local
13fb802253b6        demonet             overlay             global
4346f6c422b2        host                host                local
5e8ac997ecfa        none                null                local

这看上去是对的：两个docker节点都存在demonet网络并且拥有相同的网络id。

让我们利用在docker0上面创建一个容器，然后在docker1上面看能否ping通它来验证一下我们的overlay网络是否正常工作。在docker0上，我们创建了一个C0容器，attach到我们的overlay网络上，给定一个ip地址为192.168.0.100，并且是这个容器进入睡眠状态。在docker1上我们创建了一个容器attach到overlay网络上，并在在容器里面执行ping命令到目标C0。

docker0:~$ docker run -d --ip 192.168.0.100 --net demonet --name C0 debian sleep 3600

docker1:~$ docker run -it --rm --net demonet debian bash
root@e37bf5e35f83:/# ping 192.168.0.100
PING 192.168.0.100 (192.168.0.100): 56 data bytes
64 bytes from 192.168.0.100: icmp_seq=0 ttl=64 time=0.618 ms
64 bytes from 192.168.0.100: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.483 ms

我们可以看到两个容器之间的连接是OK的。如果我们从docker1 ping C0的话，发现这是不通的，这个是因为docker1 不知道192.168.0.0/24网络的任何信息，这个网络是独立位于overlay上面的。

docker1:~$ ping 192.168.0.100
PING 192.168.0.100 (192.168.0.100) 56(84) bytes of data.
^C--- 192.168.0.100 ping statistics ---
4 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss, time 3024ms

下面是我们目前构建的：


网络

底层原理

现在我们已经构建了一个overlay网络，让我们试着来看看它是如何工作的。

容器的网络配置

C0容器的网络配置是怎么样的呢？我们可以在容器中执行如下的命令去发现：

docker0:~$ docker exec C0 ip addr show
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default
    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: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:c0:a8:00:64 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.0.100/24 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
9: eth1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:ac:12:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.18.0.2/16 scope global eth1
       valid_lft forever preferred_lft forever

我们在容器中有两个网卡（当前还包含一个环回网卡）

  • eth0: 配置的IP地址在192.168.0.0/24网络范围内，这个网卡是在overlay网络上的
  • eth1: 配置的IP地址在172.18.0.2/16网络范围内，这个网络我们从来没有配置过

路由配置是怎么样的呢？

docker0:~$ docker exec C0 ip route show
default via 172.18.0.1 dev eth1
172.18.0.0/16 dev eth1  proto kernel  scope link  src 172.18.0.2
192.168.0.0/24 dev eth0  proto kernel  scope link  src 192.168.0.100

路由配置显示默认路由是通过eth1，这意味着这个网卡是用来访问overlay网络以外的资源的。我们可以利用ping一个外部IP地址来非常简单的验证这一点：

$ docker exec -it C0 ping 8.8.8.8
PING 8.8.8.8 (8.8.8.8): 56 data bytes
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=0 ttl=51 time=0.957 ms
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=51 time=0.975 ms

注意，其实可以利用--internal 选项创建一个overlay网络，在其上的容器不能访问外部网络

让我们查看这些网卡上面的更多的信息：

docker0:~$ docker exec C0 ip -details link show eth0
6: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default
    link/ether 02:42:c0:a8:00:64 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
    veth

docker0:~$ docker exec C0 ip -details link show eth1
9: eth1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default
    link/ether 02:42:ac:12:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
    veth

这两个网卡的类型都是veth。veth网卡通常是成对出现并且是虚拟连接的。两个成对的veth网卡可以在不同的网络命名空间里面，这样可以使得两个不同的网络命名空间进行相互通信。这两个veth网卡用于在容器的网络命名空间内访问外部信息。

以下是我们目前发现的：


网络

我们现在需要发现这两个veth网卡的配对网卡

容器连接的是什么？

我们可以利用ethtool发现另一端的veth网卡。然而这个命令在我们的容器里面是不可用的。我们可以利用“nsenter”命令来在容器的命名空间中执行ethtool命令（“nsenter”允许我们进入一个进程关联的一个或者多个命名空间），或者利用“ip netns exec”（依赖iproute）在指定的网络命名空间里面执行一个命令。Docker并没有在 /var/run/netns目录下面创建符号链接，但是ip netns 是在 /var/run/netns上面来寻找网络命名空间的。这个就是为什么我们利用nsenter来进入容器创建的命名空间。

可以利用以下的命令列出Docker创建的网络命名空间

docker0:~$ sudo ls -1 /var/run/docker/netns
e4b8ecb7ae7c
1-13fb802253

为了使用这些信息，我们需要辨别出容器所使用的网络命名空间。我们可以利用inspecting容器来获取，需要提取的信息在SandboxKey里面：

docker0:~$ docker inspect C0 -f {{.NetworkSettings.SandboxKey}} /var/run/docker/netns/e4b8ecb7ae7c
docker0:~$ C0netns=$(docker inspect C0 -f {{.NetworkSettings.SandboxKey}})

现在，我们可以在容器的网络命名空间内执行宿主机上面的命令（即使容器内是不包含这个命令的）：

docker0:~$ sudo nsenter --net=$C0netns ip addr show eth0
6: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:c0:a8:00:64 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.0.100/24 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever

让我们看一下eth0和eth1配对网卡的索引值

docker0:~$ sudo nsenter --net=$C0netns ethtool -S eth0
NIC statistics:
    peer_ifindex: 7
docker0:~$ sudo nsenter --net=$C0netns ethtool -S eth1
NIC statistics:
    peer_ifindex: 10

我们发现配对网卡的索引为7和10.我们先看一下宿主机本身是否有这些网卡：

docker0:~$ ip -details link show
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00 promiscuity 0
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 9001 qdisc pfifo_fast state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 06:e2:c0:20:ec:9f brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN mode DEFAULT group default
    link/ether 02:42:a7:17:99:39 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
    bridge
8: docker_gwbridge: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default
    link/ether 02:42:be:d6:b0:c5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
    bridge
10: vethbc521fc: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue master docker_gwbridge state UP mode DEFAULT group default
    link/ether 32:a1:47:1a:7f:1e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 1
    veth
    bridge_slave

我们可以从输出中看到网卡10，但是没有看到网卡7。并且我们发现网卡10是插在网桥“docker_gwbridge”上的。那这个网桥是什么呢？如果列出docker管理的网络，我们可以发现这个网桥就在列表里面：

docker0:~$ docker network ls
NETWORK ID          NAME                DRIVER              SCOPE
eb096cb816c0        bridge              bridge              local
13fb802253b6        demonet             overlay             global
f6823b311fd2        docker_gwbridge     bridge              local
d538d58b17e7        host                host                local
f2ee470bb968        none                null                local

可以inspect这个网桥：

docker0:~$ docker inspect docker_gwbridge
"Name": "docker_gwbridge",
"Driver": "bridge",
"IPAM": {
    "Driver": "default",
    "Options": null,
    "Config": [
        {
            "Subnet": "172.18.0.0/16",
            "Gateway": "172.18.0.1"
        }
    ]
},
"Options": {
    "com.docker.network.bridge.enable_icc": "false",
    "com.docker.network.bridge.enable_ip_masquerade": "true",
    "com.docker.network.bridge.name": "docker_gwbridge"
 }

为了保证我们聚焦在必要的信息上面，我移除了部分的输出信息：

  • 这个网络利用了bridge驱动（这个驱动就是docker的标准网桥bridge用的驱动）
  • 它使用子网172.18.0.0/16，这个跟eth1是一致的。
  • enable_icc被设置为false，这意味着我们不能利用这个网桥来做容器间的通信
  • enable_ip_masquerade设置为 true， 这个意味着容器将通过NAT访问外部信息（这也就是为什么前面我们可以成功的ping通 8.8.8.8）

我们可以利用通过从另一个在docker0上attach在demonet网络上的容器来ping C0 的eth1的地址（172.18.0.2）来验证一下容器间的相互访问是被禁止的：

docker0:~$ docker run --rm -it --net demonet debian ping 172.18.0.2
PING 172.18.0.2 (172.18.0.2): 56 data bytes
^C--- 172.18.0.2 ping statistics ---
3 packets transmitted, 0 packets received, 100% packet loss

这个是我们目前发现的网络结构


网络结构

在overlay上的网卡eth0是什么样的？

网卡eth0的配对网卡不在宿主机的网络命名空间内，那么它肯定在另外的网络命名空间内，我们来重新看一下docker创建的网络命名空间

docker0:~$ sudo ls -1 /var/run/docker/netns
e4b8ecb7ae7c
1-13fb802253

我们可以看到一个命名空间叫做“1-13fb802253”，除了“1-“，这个命名空间的名字是overlay网络的网络id的开头部分。

docker0:~$ docker network inspect demonet -f {{.Id}}
13fb802253b6f0a44e17e2b65505490e0c80527e1d78c4f5c74375aff4bf882a

这个命名空间很明显应该跟overlay网络是相关联的。我们可以看一下这个命名空间的网卡：

docker0:~$ overns=/var/run/docker/netns/1-13fb802253
docker0:~$ sudo nsenter --net=$overns ip -d link show
2: br0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default
    link/ether 3a:2d:44:c0:0e:aa brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
    bridge
5: vxlan0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master br0 state UNKNOWN mode DEFAULT group default
    link/ether 4a:23:72:a3:fc:e3 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 1
    vxlan id 256 srcport 10240 65535 dstport 4789 proxy l2miss l3miss ageing 300
    bridge_slave
7: veth2: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master br0 state UP mode DEFAULT group default
    link/ether 3a:2d:44:c0:0e:aa brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 1
    veth
    bridge_slave

这个overlay网络命名空间包含三张网卡（和lo）：

  • br0: 一个网桥
  • veth2: 一个veth网卡，是eth0的配对网卡并且这种网卡是连接到网桥上面的
  • vxlan0: 一个“vxlan”类型的网卡，这张网卡也是连接到网桥上面的

这个vxlan的网卡很明显就是overlay网络的神奇之处，我们将会详细来看。现在我们先更新一下我们的网络结构图


网络结构图

结论

这是这篇文章的第一部分，在第二部分，我们将会聚焦VXLAN：这个协议是什么，docker是怎么来使用它的。

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