万字长文：聊聊几种主流Docker网络的实现原理
一、容器网络简介
实现容器跨主机通信的最简单方式就是直接使用host网络，这时由于容器IP就是宿主机的IP，复用宿主机的网络协议栈以及underlay网络，原来的主机能通信，容器也就自然能通信，然而带来的最直接问题就是端口冲突问题。
要解决如上问题实现容器跨主机通信，主要有如下两个思路：
思路二：完全不修改底层网络设备配置，复用原有的underlay平面网络，解决容器跨主机通信，主要有如下两种方式：
Overlay隧道传输。把容器的数据包封装到原主机网络的三层或者四层数据包中，然后使用原来的网络使用IP或者TCP/UDP传输到目标主机，目标主机再拆包转发给容器。Overlay隧道如Vxlan、ipip等，目前使用Overlay技术的主流容器网络如Flannel、Weave等。
修改主机路由。把容器网络加到主机路由表中，把主机当作容器网关，通过路由规则转发到指定的主机，实现容器的三层互通。目前通过路由技术实现容器跨主机通信的网络如Flannel host-gw、Calico等。
本文接下来将详细介绍目前主流容器网络的实现原理。
在开始正文内容之前，先引入两个后续会一直使用的脚本：
第一个脚本为 docker_netns.sh：
#!/bin/bash
NAMESPACE=$1
if [[ -z $NAMESPACE ]]; then
ls -1 /var/run/docker/netns/
exit 0
fi
NAMESPACE_FILE=/var/run/docker/netns/${NAMESPACE}
if [[ ! -f $NAMESPACE_FILE ]]; then
NAMESPACE_FILE=$(docker inspect -f "{{.NetworkSettings.SandboxKey}}" $NAMESPACE 2>/dev/null)
fi
if [[ ! -f $NAMESPACE_FILE ]]; then
echo "Cannot open network namespace '$NAMESPACE': No such file or directory"
exit 1
fi
shift
if [[ $# -lt 1 ]]; then
echo "No command specified"
exit 1
fi
nsenter --net=${NAMESPACE_FILE} $@
该脚本通过指定容器id、name或者namespace快速进入容器的network namespace并执行相应的shell命令。
如果不指定任何参数，则列举所有Docker容器相关的network namespaces。
# ./docker_netns.sh # list namespaces
4-a4a048ac67
abe31dbbc394
default
# ./docker_netns.sh busybox ip addr # Enter busybox namespace
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 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
354: eth0@if355: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP group default
link/ether 02:42:c0:a8:64:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
inet 192.168.100.2/24 brd 192.168.100.255 scope global eth0
valid_lft forever preferred_lft forever
356: eth1@if357: <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 link-netnsid 1
inet 172.18.0.2/16 brd 172.18.255.255 scope global eth1
valid_lft forever preferred_lft forever
另一个脚本为 find_links.sh：
#!/bin/bash
DOCKER_NETNS_SCRIPT=./docker_netns.sh
IFINDEX=$1
if [[ -z $IFINDEX ]]; then
for namespace in $($DOCKER_NETNS_SCRIPT); do
printf "e[1;31m%s: e[0m
" $namespace
$DOCKER_NETNS_SCRIPT $namespace ip -c -o link
printf "
"
done
else
for namespace in $($DOCKER_NETNS_SCRIPT); do
if $DOCKER_NETNS_SCRIPT $namespace ip -c -o link | grep -Pq "^$IFINDEX: "; then
printf "e[1;31m%s: e[0m
" $namespace
$DOCKER_NETNS_SCRIPT $namespace ip -c -o link | grep -P "^$IFINDEX: ";
printf "
"
fi
done
fi
该脚本根据ifindex查找虚拟网络设备所在的namespace:
# ./find_links.sh 354
abe31dbbc394:
354: eth0@if355: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default
link/ether 02:42:c0:a8:64:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
该脚本的目的是方便查找veth的对端所在的namespace位置。如果不指定ifindex，则列出所有namespaces的link设备。
二、Docker原生的Overlay
Laurent Bernaille在DockerCon2017上详细介绍了Docker原生的Overlay网络实现原理，作者还总结了三篇干货文章一步一步剖析Docker网络实现原理，最后还教大家一步一步从头开始手动实现Docker的Overlay网络，这三篇文章为:
Deep dive into docker overlay networks part 1
Deep dive into docker overlay networks part 2
Deep dive into docker overlay networks part 3
建议感兴趣的读者阅读，本节也大量参考了如上三篇文章的内容。
2.1 Overlay网络环境
测试使用两个Node节点：
| Node名 | 主机IP |
|---|---|
| node-1 | 192.168.1.68 |
| node-2 | 192.168.1.254 |
首先创建一个overlay网络:
docker network create -d overlay --subnet 10.20.0.0/16 overlay
在两个节点分别创建两个busybox容器:
docker run -d --name busybox --net overlay busybox sleep 36000
容器列表如下：
| Node名 | 主机IP | 容器IP |
|---|---|---|
| node-1 | 192.168.1.68 | 10.20.0.3/16 |
| node-2 | 192.168.1.254 | 10.20.0.2/16 |
我们发现容器有两个IP，其中eth0 10.20.0.0/16为我们创建的Overlay网络ip，两个容器能够互相ping通。而不在同一个node的容器IP eth1都是172.18.0.2，因此172.18.0.0/16很显然不能用于跨主机通信，只能用于单个节点容器通信。
2.2 容器南北流量
这里的南北流量主要是指容器与外部通信的流量，比如容器访问互联网。
我们查看容器的路由：
# docker exec busybox-node-1 ip r
default via 172.18.0.1 dev eth1
10.20.0.0/16 dev eth0 scope link src 10.20.0.3
172.18.0.0/16 dev eth1 scope link src 172.18.0.2
由此可知容器默认网关为172.18.0.1，也就是说容器是通过eth1出去的：
# docker exec busybox-node-1 ip link show eth1
77: eth1@if78: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue
link/ether 02:42:ac:12:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
# ./find_links.sh 78
default:
78: vethf2de5d4@if77: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue master docker_gwbridge state UP mode DEFAULT group default
link/ether 2e:6a:94:6a:09:c5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1
通过 find_links.sh脚本查找ifindex为78的link在默认namespace中，并且该link的master为 docker_gwbridge，也就是说该设备挂到了 docker_gwbridgebridge。
# brctl show
bridge name bridge id STP enabled interfaces
docker0 8000.02427406ba1a no
docker_gwbridge 8000.0242bb868ca3 no vethf2de5d4
而 172.18.0.1正是bridge docker_gwbridge的IP，也就是说 docker_gwbridge是该节点的所有容器的网关。
# iptables-save -t nat | grep -- '-A POSTROUTING'
-A POSTROUTING -s 172.18.0.0/16 ! -o docker_gwbridge -j MASQUERADE
由此可验证容器是通过NAT出去的。
我们发现其实容器南北流量用的其实就是Docker最原生的bridge网络模型，只是把 docker0换成了 docker_gwbridge。如果容器不需要出互联网，创建Overlay网络时可以指定 --internal参数，此时容器只有一个Overlay网络的网卡，不会创建eth1。
2.3 容器东西向流量
容器东西流量指容器之间的通信，这里特指跨主机的容器间通信。
显然容器是通过eth0实现与其他容器通信的：
# docker exec busybox-node-1 ip link show eth0
75: eth0@if76: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1450 qdisc noqueue
link/ether 02:42:0a:14:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
# ./find_links.sh 76
1-19c5d1a7ef:
76: veth0@if75: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master br0 state UP mode DEFAULT group default link/ether 6a:ce:89:a2:89:4a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1
eth0的对端设备ifindex为76，通过 find_links.sh脚本查找ifindex 76在 1-19c5d1a7ef namespace下，名称为 veth0，并且master为br0，因此veth0挂到了br0 bridge下。
通过 docker_netns.sh脚本可以快速进入指定的namespace执行命令：
# ./docker_netns.sh 1-19c5d1a7ef ip link show veth0
76: veth0@if75: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master br0 state UP mode DEFAULT group default
link/ether 6a:ce:89:a2:89:4a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1
# ./docker_netns.sh 1-19c5d1a7ef brctl show
bridge name bridge id STP enabled interfaces
br0 8000.6ace89a2894a no veth0
vxlan0
可见除了veth0，bridge还绑定了vxlan0：
./docker_netns.sh 1-19c5d1a7ef ip -c -d link show vxlan0
74: vxlan0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue master br0 state UNKNOWN mode DEFAULT group default
link/ether 96:9d:64:39:76:4e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0 promiscuity 1
vxlan id 256 srcport 0 0 dstport 4789 proxy l2miss l3miss ttl inherit ageing 300 udpcsum noudp6zerocsumtx noudp6zerocsumrx
...
vxlan0是一个VxLan虚拟网络设备，因此可以推断Docker Overlay是通过vxlan隧道实现跨主机通信的。这里直接引用Deep dive into docker overlay networks part 1的图：
图中192.168.0.0/16对应前面的10.20.0.0/16网段。
2.4 ARP代理
./docker_netns.sh 2-19c5d1a7ef ip -d -o link show vxlan0 | grep proxy_arp
而vxlan0代理回复时直接查找本地的neigh表回复即可，而本地neigh表则是Docker静态配置，可查看Overlay网络namespaced neigh表：
# ./docker_netns.sh 3-19c5d1a7ef ip neigh
10.20.0.3 dev vxlan0 lladdr 02:42:0a:14:00:03 PERMANENT
10.20.0.4 dev vxlan0 lladdr 02:42:0a:14:00:04 PERMANENT
每当有新的容器创建时，Docker通过Serf以及Gossip协议通知节点更新本地neigh ARP表。
2.5 VTEP表静态配置
前面介绍的ARP代理属于L2层问题，而容器的数据包最终还是通过Vxlan隧道传输的，那自然需要解决的问题是这个数据包应该传输到哪个node节点？如果只是两个节点，创建vxlan隧道时可以指定本地ip（local IP)和对端IP(remote IP)建立点对点通信，但实际上显然不可能只有两个节点。
我们不妨把Vxlan出去的物理网卡称为VTEP（VXLAN Tunnel Endpoint），它会有一个可路由的IP，即Vxlan最终封装后的外层IP。通过查找VTEP表决定数据包应该传输到哪个remote VTEP：
| 容器MAC地址 | Vxlan ID | Remote VTEP |
|---|---|---|
| 02:42:0a:14:00:03 | 256 | 192.168.1.254 |
| 02:42:0a:14:00:04 | 256 | 192.168.1.245 |
| ... | ... | ... |
VTEP表和ARP表类似，也可以通过广播洪泛的方式学习，但显然同样存在性能问题，实际上也很少使用这种方案。在硬件SDN中通常使用BGP EVPN技术实现Vxlan的控制平面。
而Docker解决的办法和ARP类似，通过静态配置的方式填充VTEP表，我们可以查看容器网络namespace的转发表(Forward database，简称fdb)，
./docker_netns.sh 3-19c5d1a7ef bridge fdb
...
02:42:0a:14:00:04 dev vxlan0 dst 192.168.1.245 link-netnsid 0 self permanent
02:42:0a:14:00:03 dev vxlan0 dst 192.168.1.254 link-netnsid 0 self permanent
...
2.6 总结
容器使用Docker原生Overlay网络默认会创建两张虚拟网卡，其中一张网卡通过bridge以及NAT出容器外部，即负责南北流量。另一张网卡通过Vxlan实现跨主机容器通信，为了减少广播，Docker通过读取KV数据静态配置ARP表和FDB表，容器创建或者删除等事件会通过Serf以及Gossip协议通知Node更新ARP表和FDB表。
三、和Docker Overlay差不多的Weave
weave是weaveworks公司提供的容器网络方案，实现上和Docker原生Overlay网络有点类似。
初始化三个节点192.168.1.68、192.168.1.254、192.168.1.245如下：
weave launch --ipalloc-range 172.111.222.0/24 192.168.1.68 192.168.1.254 192.168.1.245
分别在三个节点启动容器：
# node-1
docker run -d --name busybox-node-1 --net weave busybox sleep 3600
# node-2
docker run -d --name busybox-node-2 --net weave busybox sleep 3600
# node-3
docker run -d --name busybox-node-3 --net weave busybox sleep 3600
在容器中我们相互ping：
从结果发现，Weave实现了跨主机容器通信，另外我们容器有两个虚拟网卡，一个是Docker原生的桥接网卡eth0，用于南北通信，另一个是Weave附加的虚拟网卡ethwe0，用于容器跨主机通信。
另外查看容器的路由：
# docker exec -t -i busybox-node-$NODE ip r
default via 172.18.0.1 dev eth0
172.18.0.0/16 dev eth0 scope link src 172.18.0.2
172.111.222.0/24 dev ethwe0 scope link src 172.111.222.128
224.0.0.0/4 dev ethwe0 scope link
我们只看第一个容器的ethwe0，VETH对端ifindex为14：
# ./find_links.sh 14
default:
14: vethwl816281577@if13: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1376 qdisc noqueue
master weave state UP mode DEFAULT group default
link/ether de:12:50:59:f0:d9 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
可见ethwe0的对端在default namespace下，名称为 vethwl816281577，该虚拟网卡桥接到 weave bridge下：
# brctl show weave
bridge name bridge id STP enabled interfaces
weave 8000.d2939d07704b no vethwe-bridge
vethwl816281577
weave bridge下除了有 vethwl816281577，还有 vethwe-bridge:
# ip link show vethwe-bridge
9: vethwe-bridge@vethwe-datapath: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1376 qdisc noqueue
master weave state UP mode DEFAULT group default
link/ether 0e:ee:97:bd:f6:25 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
可见 vethwe-bridge与 vethwe-datapath是一个VETH对，我们查看对端 vethwe-datapath：
# ip -d link show vethwe-datapath
8: vethwe-datapath@vethwe-bridge: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1376 qdisc noqueue
master datapath state UP mode DEFAULT group default
link/ether f6:74:e9:0b:30:6d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 1
veth
openvswitch_slave addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535
vethwe-datapath的master为 datapath，由 openvswitch_slave可知 datapath应该是一个openvswitch bridge，而 vethwe-datapath挂到了 datapath桥下，作为 datapath的port。
为了验证，通过ovs-vsctl查看：
# ovs-vsctl show
96548648-a6df-4182-98da-541229ef7b63
ovs_version: "2.9.2"
使用 ovs-vsctl发现并没有 datapath这个桥。官方文档中fastdp how it works中解释为了提高网络性能，没有使用用户态的OVS，而是直接操纵内核的datapath。使用 ovs-dpctl命令可以查看内核datapath：
# ovs-dpctl show
system@datapath:
lookups: hit:109 missed:1508 lost:3
flows: 1
masks: hit:1377 total:1 hit/pkt:0.85
port 0: datapath (internal)
port 1: vethwe-datapath
port 2: vxlan-6784 (vxlan: packet_type=ptap)
可见datapath类似于一个OVS bridge设备，负责数据交换，该设备包含三个port：
port 0: datapath (internal)
port 1: vethwe-datapath
port 2: vxlan-6784
除了 vethwe-datapath，还有一个 vxlan-6784，由名字可知这是一个vxlan：
# ip -d link show vxlan-6784
10: vxlan-6784: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 65535 qdisc noqueue
master datapath state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
link/ether d2:21:db:c1:9b:28 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 1
vxlan id 0 srcport 0 0 dstport 6784 nolearning ttl inherit ageing 300 udpcsum noudp6zerocsumtx udp6zerocsumrx external
openvswitch_slave addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535
最后Weave的网络流量图如下：
四、简单优雅的Flannel
4.1 Flannel简介
Flannel网络是目前最主流的容器网络之一，同时支持overlay（如vxlan）和路由(如host-gw）两种模式。
Flannel和Weave以及Docker原生overlay网络不同的是，后者的所有Node节点共享一个子网，而Flannel初始化时通常指定一个16位的网络，然后每个Node单独分配一个独立的24位子网。由于Node都在不同的子网，跨节点通信本质为三层通信，也就不存在二层的ARP广播问题了。
另外，我认为Flannel之所以被认为非常简单优雅的是，不像Weave以及Docker Overlay网络需要在容器内部再增加一个网卡专门用于Overlay网络的通信，Flannel使用的就是Docker最原生的bridge网络，除了需要为每个Node配置subnet(bip)外，几乎不改变原有的Docker网络模型。
4.2 Flannel Overlay网络
我们首先以Flannel Overlay网络模型为例，三个节点的IP以及Flannel分配的子网如下：
| Node名 | 主机IP | 分配的子网 |
|---|---|---|
| node-1 | 192.168.1.68 | 40.15.43.0/24 |
| node-2 | 192.168.1.254 | 40.15.26.0/24 |
| node-3 | 192.168.1.245 | 40.15.56.0/24 |
在三个集成了Flannel网络的Node环境下分别创建一个 busybox容器：
docker run -d --name busybox busybox:latest sleep 36000
容器列表如下：
| Node名 | 主机IP | 容器IP |
|---|---|---|
| node-1 | 192.168.1.68 | 40.15.43.2/24 |
| node-2 | 192.168.1.254 | 40.15.26.2/24 |
| node-3 | 192.168.1.245 | 40.15.56.2/24 |
查看容器namespace的网络设备：
# ./docker_netns.sh busybox ip -d -c link
416: eth0@if417: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 8951 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default
link/ether 02:42:28:0f:2b:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0 promiscuity 0
veth addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535
和Docker bridge网络一样只有一张网卡eth0，eth0为veth设备，对端的ifindex为417.
我们查找下ifindex 417的link信息：
# ./find_links.sh 417
default:
417: veth1cfe340@if416: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 8951 qdisc noqueue master docker0 state UP mode DEFAULT group default
link/ether 26:bd:de:86:21:78 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
可见ifindex 417在default namespace下，名称为 veth1cfe340并且master为docker0，因此挂到了docker0的bridge下。
# brctl show
bridge name bridge id STP enabled interfaces
docker0 8000.0242d6f8613e no veth1cfe340
vethd1fae9d
docker_gwbridge 8000.024257f32054 no
和Docker原生的bridge网络没什么区别，那它是怎么解决跨主机通信的呢？
实现跨主机通信，要么Overlay隧道封装，要么静态路由，显然docker0没有看出有什么overlay的痕迹，因此只能通过路由实现了。
不妨查看下本地路由如下：
# ip r
default via 192.168.1.1 dev eth0 proto dhcp src 192.168.1.68 metric 100
40.15.26.0/24 via 40.15.26.0 dev flannel.1 onlink
40.15.43.0/24 dev docker0 proto kernel scope link src 40.15.43.1
40.15.56.0/24 via 40.15.56.0 dev flannel.1 onlink
...
我们只关心40.15开头的路由，忽略其他路由，我们发现除了40.15.43.0/24直接通过docker0直连外，其他均路由转发到了 flannel.1。而40.15.43.0/24为本地Node的子网，因此在同一宿主机的容器直接通过docker0通信即可。
我们查看 flannel.1的设备类型：
413: flannel.1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 8951 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default
link/ether 0e:08:23:57:14:9a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0
vxlan id 1 local 192.168.1.68 dev eth0 srcport 0 0 dstport 8472 nolearning ttl inherit ageing 300
udpcsum noudp6zerocsumtx noudp6zerocsumrx addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535
可见 flannel.1是一个Linux Vxlan设备，其中 .1为VNI值，不指定默认为1。
由于不涉及ARP因此不需要proxy参数实现ARP代理，而本节点的容器通信由于在一个子网内，因此直接ARP自己学习即可，不需要Vxlan设备学习，因此有个nolearning参数。
bridge fdb | grep flannel.1
4e:55:ee:0a:90:38 dev flannel.1 dst 192.168.1.245 self permanent
da:17:1b:07:d3:70 dev flannel.1 dst 192.168.1.254 self permanent
# for subnet in $(etcdctl ls /coreos.com/network/subnets); do etcdctl get $subnet;done
{"PublicIP":"192.168.1.68","BackendType":"vxlan","BackendData":{"VtepMAC":"0e:08:23:57:14:9a"}}
{"PublicIP":"192.168.1.254","BackendType":"vxlan","BackendData":{"VtepMAC":"da:17:1b:07:d3:70"}}
{"PublicIP":"192.168.1.245","BackendType":"vxlan","BackendData":{"VtepMAC":"4e:55:ee:0a:90:38"}}
因此Flannel的Overlay网络实现原理简化如图：
可见除了增加或者减少Node，需要Flannel配合配置静态路由以及fdb表，容器的创建与删除完全不需要Flannel干预，事实上Flannel也不需要知道有没有新的容器创建或者删除。
4.3 Flannel host-gw网络
前面介绍Flannel通过Vxlan实现跨主机通信，其实Flannel支持不同的backend，其中指定backend type为host-gw支持通过静态路由的方式实现容器跨主机通信，这时每个Node都相当于一个路由器，作为容器的网关，负责容器的路由转发。
使用OpenStack则最好禁用Neutron的port security功能。
同样地，我们在三个节点分别创建busybox容器，结果如下：
| Node名 | 主机IP | 容器IP |
|---|---|---|
| node-1 | 192.168.1.68 | 40.15.43.2/24 |
| node-2 | 192.168.1.254 | 40.15.26.2/24 |
| node-3 | 192.168.1.245 | 40.15.56.2/24 |
我们查看192.168.1.68的本地路由：
# ip r
default via 192.168.1.1 dev eth0 proto dhcp src 192.168.1.68 metric 100
40.15.26.0/24 via 192.168.1.254 dev eth0
40.15.43.0/24 dev docker0 proto kernel scope link src 40.15.43.1
40.15.56.0/24 via 192.168.1.245 dev eth0
...
我们只关心40.15前缀的路由，发现40.15.26.0/24的下一跳为192.168.1.254，正好为node2 IP，而40.15.43.0/24的下一跳为本地docker0，因为该子网就是node所在的子网，40.15.56.0/24的下一跳为192.168.1.245，正好是node3 IP。可见，Flannel通过配置静态路由的方式实现容器跨主机通信，每个Node都作为路由器使用。
host-gw的方式相对Overlay由于没有vxlan的封包拆包过程，直接路由就过去了，因此性能相对要好。不过正是由于它是通过路由的方式实现，每个Node相当于是容器的网关，因此每个Node必须在同一个LAN子网内，否则跨子网由于链路层不通导致无法实现路由导致host-gw实现不了。
4.4 Flannel利用云平台路由实现跨主机通信
前面介绍的host-gw是通过修改主机路由表实现容器跨主机通信，如果能修改主机网关的路由当然也是没有问题的，尤其是和SDN结合方式动态修改路由。
目前很多云平台均实现了自定义路由表的功能，比如OpenStack、AWS等，Flannel借助这些功能实现了很多公有云的VPC后端，通过直接调用云平台API修改路由表实现容器跨主机通信，比如阿里云、AWS、Google云等，不过很可惜官方目前好像还没有实现OpenStack Neutron后端。
下面以AWS为例，创建了如下4台EC2虚拟机：
node-1: 197.168.1.68/24
node-2: 197.168.1.254/24
node-3: 197.168.1.245/24
node-4: 197.168.0.33/24
注意第三台和其余两台不在同一个子网。
三台EC2均关联了flannel-role，flannel-role关联了flannel-policy，policy的权限如下：
{
"Version": "2012-10-17",
"Statement": [
{
"Sid": "VisualEditor0",
"Effect": "Allow",
"Action": [
"ec2:DescribeInstances",
"ec2:CreateRoute",
"ec2:DeleteRoute",
"ec2:ModifyInstanceAttribute",
"ec2:DescribeRouteTables",
"ec2:ReplaceRoute"
],
"Resource": "*"
}
]
}
即EC2实例需要具有修改路由表等相关权限。
之前一直很疑惑AWS的role如何与EC2虚拟机关联起来的。换句话说，如何实现虚拟机无需配置Key和Secretd等认证信息就可以直接调用AWS API，通过awscli的 --debug信息可知awscli首先通过metadata获取role信息，再获取role的Key和Secret：
关于AWS如何知道调用metadata的是哪个EC2实例，可参考之前的文章OpenStack虚拟机如何获取metadata.
iptables -I FORWARD --dest 40.15.0.0/16 -j ACCEPT
iptables -I FORWARD --src 40.15.0.0/16 -j ACCEPT
flannel配置如下：
# etcdctl get /coreos.com/network/config | jq .
{
"Network": "40.15.0.0/16",
"Backend": {
"Type": "aws-vpc"
}
}
启动flannel，自动为每个Node分配24位子网，网段如下：
| Node名 | 主机IP | 容器IP |
|---|---|---|
| node-1 | 192.168.1.68 | 40.15.16.0/24 |
| node-2 | 192.168.1.254 | 40.15.64.0/24 |
| node-3 | 192.168.1.245 | 40.15.13.0/24 |
| node-4 | 192.168.0.33 | 40.15.83.0/24 |
我们查看node-1、node-2、node-3关联的路由表如图：
node-4关联的路由表如图:
由此可见，每增加一个Flannel节点，Flannel就会调用AWS API在EC2实例的子网关联的路由表上增加一条记录，Destination为该节点分配的Flannel子网，Target为该EC2实例的主网卡。
在4个节点分别创建一个busybox容器，容器IP如下：
| Node名 | 主机IP | 容器IP |
|---|---|---|
| node-1 | 192.168.1.68 | 40.15.16.2/24 |
| node-2 | 192.168.1.254 | 40.15.64.2/24 |
| node-3 | 192.168.1.245 | 40.15.13.2/24 |
| node-4 | 192.168.0.33 | 40.15.83.2/24 |
所有节点ping node-4的容器，如图：
我们发现所有节点都能ping通node-4的容器。但是node-4的容器却ping不通其余容器：
这是因为每个Node默认只会添加自己所在路由的记录。node-4没有node-1 ~ node-3的路由信息，因此不通。
可能有人会问，node1 ~ node3也没有node4的路由，那为什么能ping通node4的容器呢？这是因为我的环境中node1 ~ node3子网关联的路由是NAT网关，node4是Internet网关，而NAT网关的子网正好是node1 ~ node4关联的子网，因此node1 ~ node3虽然在自己所在的NAT网关路由没有找到node4的路由信息，但是下一跳到达Internet网关的路由表中找到了node4的路由，因此能够ping通，而node4找不到node1 ~ node3的路由，因此都ping不通。
以上只是默认行为，Flannel可以通过 RouteTableID参数配置Node需要更新的路由表，我们只需要增加如下两个子网的路由如下：
# etcdctl get /coreos.com/network/config | jq .
{
"Network": "40.15.0.0/16",
"Backend": {
"Type": "aws-vpc",
"RouteTableID": [
"rtb-0686cdc9012674692",
"rtb-054dfd5f3e47102ae"
]
}
}
重启Flannel服务，再次查看两个路由表：
我们发现两个路由表均添加了node1 ~ node4的Flannel子网路由。
此时四个节点的容器能够相互ping通。
从中我们发现，aws-vpc解决了host-gw不能跨子网的问题，Flannel官方也建议如果使用AWS，推荐使用aws-vpc替代overlay方式，能够获取更好的性能：
When running within an Amazon VPC, we recommend using the aws-vpc backend which, instead of using encapsulation, manipulates IP routes to achieve maximum performance. Because of this, a separate flannel interface is not created.
The biggest advantage of using flannel AWS-VPC backend is that the AWS knows about that IP. That makes it possible to set up ELB to route directly to that container.
另外，由于路由是添加到了主机网关上，因此只要关联了该路由表，EC2实例是可以从外面直接ping通容器的，换句话说，同一子网的EC2虚拟机可以直接与容器互通。
不过需要注意的是，AWS路由表默认最多支持50条路由规则，这限制了Flannel节点数量，不知道AWS是否支持增加配额功能。另外目前最新版的Flannel v0.10.0好像对aws-vpc支持有点问题，再官方修复如上问题之前建议使用Flannel v0.8.0版本。
五、黑科技最多的Calico
5.1 Calico环境配置
Calico和Flannel host-gw类似都是通过路由实现跨主机通信,区别在于Flannel通过flanneld进程逐一添加主机静态路由实现，而Calico则是通过BGP实现节点间路由规则的相互学习广播。
这里不详细介绍BGP的实现原理，仅研究容器是如何通信的。
创建了3个节点的calico集群，ip pool配置如下：
# calicoctl get ipPool -o yaml
- apiVersion: v1
kind: ipPool
metadata:
cidr: 197.19.0.0/16
spec:
ipip:
enabled: true
mode: cross-subnet
nat-outgoing: true
- apiVersion: v1
kind: ipPool
metadata:
cidr: fd80:24e2:f998:72d6::/64
spec: {}
Calico分配的ip如下：
for host in $(etcdctl --endpoints $ENDPOINTS ls /calico/ipam/v2/host/); do
etcdctl --endpoints $ENDPOINTS ls $host/ipv4/block | awk -F '/' '{sub(/-/,"/",$NF)}{print $6,$NF}'
done | sort
int32bit-docker-1 197.19.38.128/26
int32bit-docker-2 197.19.186.192/26
int32bit-docker-3 197.19.26.0/26
由此可知，Calico和Flannel一样，每个节点分配一个子网，只不过Flannel默认分24位子网，而Calico分的是26位子网。
三个节点分别创建busybox容器：
| Node名 | 主机IP | 容器IP |
|---|---|---|
| node-1 | 192.168.1.68 | 197.19.38.136 |
| node-2 | 192.168.1.254 | 197.19.186.197 |
| node-3 | 192.168.1.245 | 197.19.26.5/24 |
相互ping通没有问题。
5.2 Calico容器内部网络
我们查看容器的link设备以及路由：
# ./docker_netns.sh busybox ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 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
2: tunl0@NONE: <NOARP> mtu 1480 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0
14: cali0@if15: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
link/ether ee:ee:ee:ee:ee:ee brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
inet 197.19.38.136/32 brd 197.19.38.136 scope global cali0
valid_lft forever preferred_lft forever
# ./docker_netns.sh busybox ip r
default via 169.254.1.1 dev cali0
169.254.1.1 dev cali0 scope link
有如下几点个人感觉很神奇：
这两个问题在Calico官方的faq中有记录#1 Why do all cali* interfaces have the MAC address ee:ee:ee:ee:ee:ee?、#2 Why can’t I see the 169.254.1.1 address mentioned above on my host?。
5.3 Calico主机路由
前面提到Calico通过BGP动态路由实现跨主机通信，我们查看主机路由如下，其中197.19.38.139、197.19.38.140是在本机上的两个容器IP：
# ip r | grep 197.19
197.19.26.0/26 via 192.168.1.245 dev eth0 proto bird
blackhole 197.19.38.128/26 proto bird
197.19.38.139 dev calia2656637189 scope link
197.19.38.140 dev calie889861df72 scope link
197.19.186.192/26 via 192.168.1.254 dev eth0 proto bird
我们发现跨主机通信和Flannel host-gw完全一样，下一跳直接指向hostIP，把host当作容器的网关。不一样的是到达宿主机后，Flannel会通过路由转发流量到bridge设备中，再由bridge转发给容器，而Calico则为每个容器的IP生成一条明细路由，直接指向容器的网卡对端。因此如果容器数量很多的话，主机路由规则数量也会越来越多，因此才有了路由反射，这里不过多介绍。
5.4 Calico多网络支持
在同一个集群上可以同时创建多个Calico网络：
# docker network ls | grep calico
ad7ca8babf01 calico-net-1 calico global
5eaf3984f69d calico-net-2 calico global
我们使用另一个Calico网络calico-net-2创建一个容器：
docker run -d --name busybox-3 --net calico-net-2 busybox sleep 36000
# docker exec busybox-3 ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> 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
2: tunl0@NONE: <NOARP> mtu 1480 qdisc noop qlen 1000
link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0
24: cali0@if25: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noqueue
link/ether ee:ee:ee:ee:ee:ee brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 197.19.38.141/32 brd 197.19.38.141 scope global cali0
valid_lft forever preferred_lft forever
# ip r | grep 197.19
197.19.26.0/26 via 192.168.1.245 dev eth0 proto bird
blackhole 197.19.38.128/26 proto bird
197.19.38.139 dev calia2656637189 scope link
197.19.38.140 dev calie889861df72 scope link
197.19.38.141 dev calib12b038e611 scope link
197.19.186.192/26 via 192.168.1.254 dev eth0 proto bird
我们发现虽然两个跨网络的容器分配的IP在同一个子网，但居然实现了隔离。
如果使用诸如vxlan的overlay网络，很好猜测是怎么实现隔离的，无非就是使用不同的VNI。但Calico没有使用overlay，直接使用路由通信，而且不同网络的子网还是重叠的，它是怎么实现隔离的呢。
要在同一个子网实现隔离，我们猜测实现方式只能是逻辑隔离，即通过本地防火墙如iptables实现。
查看了下Calico生成的iptables规则发现太复杂了，各种包mark。由于决定包的放行或者丢弃通常是在filter表实现，而不是发往主机的自己的包应该在FORWARD链中，因此我们直接研究filter表的FORWARD表。
# iptables-save -t filter | grep -- '-A FORWARD'
-A FORWARD -m comment --comment "cali:wUHhoiAYhphO9Mso" -j cali-FORWARD
...
Calico把cali-FORWARD子链挂在了FORWARD链上，comment中的一串看起来像随机字符串 cali:wUHhoiAYhphO9Mso不知道是干嘛的。
# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-FORWARD'
-A cali-FORWARD -i cali+ -m comment --comment "cali:X3vB2lGcBrfkYquC" -j cali-from-wl-dispatch
-A cali-FORWARD -o cali+ -m comment --comment "cali:UtJ9FnhBnFbyQMvU" -j cali-to-wl-dispatch
-A cali-FORWARD -i cali+ -m comment --comment "cali:Tt19HcSdA5YIGSsw" -j ACCEPT
-A cali-FORWARD -o cali+ -m comment --comment "cali:9LzfFCvnpC5_MYXm" -j ACCEPT
...
cali+表示所有以cali为前缀的网络接口，即容器的网卡对端设备。由于我们只关心发往容器的流量方向，即从caliXXX发往容器的流量，因此我们只关心条件匹配的 -o cali+的规则，从如上可以看出所有从 cali+出来的流量都跳转到了 cali-to-wl-dispatch子链处理，其中 wl是workload的缩写，workload即容器。
# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-to-wl-dispatch'
-A cali-to-wl-dispatch -o calia2656637189 -m comment --comment "cali:TFwr8sfMnFH3BUla" -g cali-tw-calia2656637189
-A cali-to-wl-dispatch -o calib12b038e611 -m comment --comment "cali:ZbRb0ozg-GGeUfRA" -g cali-tw-calib12b038e611
-A cali-to-wl-dispatch -o calie889861df72 -m comment --comment "cali:5OoGv50NzX0sKdMg" -g cali-tw-calie889861df72
-A cali-to-wl-dispatch -m comment --comment "cali:RvicCiwAy9cIEAKA" -m comment --comment "Unknown interface" -j DROP
从子链名字也可以看出 cali-to-wl-dispatch是负责流量的分发的，即根据具体的流量出口引到具体的处理流程子链，从X出来的，由cali-tw-X处理，从Y出来的，由cali-tw-Y处理，依次类推，其中 tw为 to workload的简写。
我们假设是发往busybox 197.19.38.139这个容器的，对应的主机虚拟设备为 calia2656637189，则跳转子链为 cali-tw-calia2656637189：
# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-tw-calia2656637189'
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:259EHpBvnovN8_q6" -m conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:YLokMEiVkZggfg9R" -m conntrack --ctstate INVALID -j DROP
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:pp8a6fGxqaALtRK5" -j MARK --set-xmark 0x0/0x1000000
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:bgw2sCtlIfZjhXLA" -j cali-pri-calico-net-1
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:1Z2NvhoS27pP03Ll" -m comment --comment "Return if profile accepted" -m mark --mark 0x1000000/0x1000000 -j RETURN
-A cali-tw-calia2656637189 -m comment --comment "cali:mPb8hORsTXeVt7yC" -m comment --comment "Drop if no profiles matched" -j DROP
其中第1、2条规则在深入浅出OpenStack安全组实现原理中介绍过，不再赘述。
第三条规则注意使用的是 set-xmark而不是 set-mark，为什么不用 set-mark，这是由于 set-mark会覆盖原来的值。而 set-xmark value/netmask，表示 X=(X&(~netmask))^value， --set-xmark0x0/0x1000000的意思就是把X的第25位重置为0，其他位保留不变。
这个mark位的含义我在官方中没有找到，在Calico网络的原理、组网方式与使用这篇文章找到了相关资料：
node一共使用了3个标记位，0x7000000对应的标记位
0x1000000: 报文的处理动作，置1表示放行，默认0表示拒绝
0x2000000: 是否已经经过了policy规则检测，置1表示已经过
0x4000000: 报文来源，置1，表示来自host-endpoint
即第25位表示报文的处理动作，为1表示通过，0表示拒绝，第5、6条规则也可以看出第25位的意义，匹配0x1000000/0x1000000直接RETRUN，不匹配的直接DROP。
因此第3条规则的意思就是清空第25位标志位重新评估，谁来评估呢？这就是第4条规则的作用，根据虚拟网络设备cali-XXX所处的网络跳转到指定网络的子链中处理，由于 calia2656637189属于calico-net-1，因此会跳转到 cali-pri-calico-net-1子链处理。
我们观察 cali-pri-calico-net-1的规则：
# iptables-save -t filter | grep -- '-A cali-pri-calico-net-1'
-A cali-pri-calico-net-1 -m comment --comment "cali:Gvse2HBGxQ9omCdo" -m set --match-set cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKubo src -j MARK --set-xmark 0x1000000/0x1000000
-A cali-pri-calico-net-1 -m comment --comment "cali:0vZpvvDd_5bT7g_k" -m mark --mark 0x1000000/0x1000000 -j RETURN
规则很简单，只要IP在cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKubo在这个ipset集合中就设置mark第25位为1，然后RETURN，否则如果IP不在ipset中则直接DROP（子链的默认行为为DROP)。
# ipset list cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKubo
Name: cali4-s:VFoIKKR-LOG_UuTlYqcKubo
Type: hash:ip
Revision: 4
Header: family inet hashsize 1024 maxelem 1048576
Size in memory: 280
References: 1
Number of entries: 4
Members:
197.19.38.143
197.19.26.7
197.19.186.199
197.19.38.144
到这里终于真相大白了，Calico是通过iptables + ipset实现多网络隔离的，同一个网络的IP会加到同一个ipset集合中，不同网络的IP放到不同的ipset集合中，最后通过iptables的set模块匹配ipset集合的IP，如果src IP在指定的ipset中则允许通过，否则DROP。
5.5 Calico跨网段通信
我们知道Flannel host-gw不支持Node主机跨网段，Calico是否支持呢，为此我增加了一个node-4(192.168.0.33/24)，显然和其他三个Node不在同一个子网。
在新的Node中启动一个busybox：
docker run -d --name busybox-node-4 --net calico-net-1 busybox sleep 36000
docker exec busybox-node-4 ping -c 1 -w 1 197.19.38.144
PING 197.19.38.144 (197.19.38.144): 56 data bytes
64 bytes from 197.19.38.144: seq=0 ttl=62 time=0.539 ms
--- 197.19.38.144 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0.539/0.539/0.539 ms
验证发现容器通信时没有问题的。
查看node-1路由：
# ip r | grep 197.19
197.19.26.0/26 via 192.168.1.245 dev eth0 proto bird
blackhole 197.19.38.128/26 proto bird
197.19.38.142 dev cali459cc263d36 scope link
197.19.38.143 dev cali6d0015b0c71 scope link
197.19.38.144 dev calic8e5fab61b1 scope link
197.19.65.128/26 via 192.168.0.33 dev tunl0 proto bird onlink
197.19.186.192/26 via 192.168.1.254 dev eth0 proto bird
和其他路由不一样的是，我们发现197.19.65.128/26是通过tunl0出去的：
# ip -d link show tunl0
5: tunl0@NONE: <NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1440 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
link/ipip 0.0.0.0 brd 0.0.0.0 promiscuity 0
ipip any remote any local any ttl inherit nopmtudisc addrgenmode eui64 numtxqueues 1 numrxqueues 1 gso_max_size 65536 gso_max_segs 65535
# ip -d tunnel show
tunl0: any/ip remote any local any ttl inherit nopmtudisc
由此可知，如果节点跨网段，则Calico通过ipip隧道传输，相当于走的是overlay。
对比Flannel host-gw，除了静态与BGP动态路由配置的区别，Calico还通过iptables + ipset解决了多网络支持问题，通过ipip隧道实现了节点跨子网通信问题。
另外，某些业务或者POD需要固定IP，比如POD从一个节点迁移到另一个节点保持IP不变，这种情况下可能导致容器的IP不在节点Node上分配的子网范围内，Calico可以通过添加一条32位的明细路由实现，Flannel不支持这种情况。
因此相对来说Calico实现的功能相对要多些，但是，最终也导致Calico相对Flannel要复杂得多，运维难度也较大，光一堆iptables规则就不容易理清了。
六、与OpenStack网络集成的Kuryr
Kuryr是OpenStack中一个较新的项目，其目标是“Bridge between container framework networking and storage models to OpenStack networking and storage abstractions.”,即实现容器与OpenStack的网络集成，该方案实现了与虚拟机、裸机相同的网络功能和互通，比如多租户、安全组等。
网络模型和虚拟机基本一样，唯一区别在于虚拟机是通过TAP设备直接挂到虚拟机设备中的，而容器则是通过VETH连接到容器的namespace。
vm Container whatever
| | |
tapX tapY tapZ
| | |
| | |
qbrX qbrY qbrZ
| | |
---------------------------------------------
| br-int(OVS) |
---------------------------------------------
|
----------------------------------------------
| br-tun(OVS) |
----------------------------------------------
Kuryr在我之前的文章OpenStack容器服务Zun初探与原理分析详细介绍过，这里不再赘述。
↓↓ 点击"阅读原文" 【加入云技术社区】
相关阅读：
更多文章请关注
文章好看点这里[在看]👇