使用容器总是感觉像使用魔法一样。对于那些理解底层原理的人来说容器很好用，但是对于不理解的人来说就是个噩梦。很幸运的是，我们已经研究容器技术很久了，甚至成功揭秘容器只是隔离并受限的 Linux 进程，运行容器并不需要镜像，以及另一个方面，构建镜像需要运行一些容器。

现在是时候解决容器网络问题了。或者更准确地说，单主机容器网络问题。本文会回答这些问题：

• 如何虚拟化网络资源，让容器认为自己拥有独占网络？
• 如何让容器们和平共处，之间不会互相干扰，并且能够互相通信？
• 从容器内部如何访问外部世界（比如，互联网）？
• 从外部世界如何访问某台机器上的容器呢（比如，端口发布）？

最终结果很明显，单主机容器网络是已知的 Linux 功能的简单组合：

• 网络命名空间（namespace）
• 虚拟 Ethernet设备（veth）
• 虚拟网络交换机（网桥）
• IP路由和网络地址翻译（NAT）
• 并且不需要任何代码就可以让这样的网络魔法发生……

任意 Linux 发行版都可以。本文例子都是在 vagrant CentOS 8 的虚拟机上执行的：

为了简单起见，本文使用容器化解决方案（比如，Docker 或者 Podman）。我们会重点介绍基本概念，并使用最简单的工具来达到学习目标。

network 命名空间隔离容器

Linux 网络栈包括哪些部分？显然，是一系列网络设备。还有别的吗？可能还包括一系列的路由规则。并且不要忘记，netfilter hook，包括由iptables规则定义的。

我们可以快速创建一个并不复杂的脚本​​inspect-net-stack.sh​​：

在运行脚本前，让我们修改下 iptable rule：

这之后，在机器上执行上面的脚本，输出如下：

我们对这些输出感兴趣，因为要确保即将创建的每个容器都有各自独立的网络栈。

你可能已经知道了，用于容器隔离的一个 Linux 命名空间是网络命名空间（network namespace）。从 man ip-netns 可以看到，“网络命名空间是网络栈逻辑上的另一个副本，它有自己的路由，防火墙规则和网络设备。”为了简化起见，这是本文使用的唯一的命名空间。我们并没有创建完全隔离的容器，而是将范围限制在网络栈上。

创建网络命名空间的一种方法是 ip 工具，它是 iproute2 的一部分：

从上面的输出可以清楚地看到 bash 进程运行在 netns0 命名空间，这时看到的是完全不同的网络栈。这里没有路由规则，没有自定义的 iptables chain，只有一个 loopback 的网络设备。

使用虚拟的 Ethernet 设备（veth）将容器连接到主机上

如果我们无法和某个专有的网络栈通信，那么它看上去就没什么用。幸运的是，Linux 提供了好用的工具——虚拟 Ethernet设备。从 man veth 可以看到，“veth 设备是虚拟 Ethernet 设备。他们可以作为网络命名空间之间的通道（tunnel），从而创建连接到另一个命名空间里的物理网络设备的桥梁，但是也可以作为独立的网络设备使用。”

虚拟 Ethernet 设备通常都成对出现。不用担心，先看一下创建的脚本：

用这条简单的命令，我们就可以创建一对互联的虚拟 Ethernet 设备。默认选择了 veth0 和 ceth0 这两个名称。

创建的 veth0 和 ceth0 都在主机的网络栈（也称为 root 网络命名空间）上。将 netns0 命名空间连接到 root 命名空间，需要将一个设备留在 root 命名空间，另一个挪到 netns0 里：

一旦启用设备并且分配了合适的 IP 地址，其中一个设备上产生的包会立刻出现在其配对设备里，从而连接起两个命名空间。从 root 命名空间开始：

然后是 netns0：

检查连通性：

同时，如果尝试从 netns0 命名空间访问其他地址，它是不可以成功的：

这也很好理解。在 netns0 路由表里没有这类包的路由。唯一的 entry 是如何到达 172.18.0.0/16 网络：

Linux 有好几种方式建立路由表。其中一种是直接从网络接口上提取路由。记住，命名空间创建后， netns0 里的路由表是空的。但是随后我们添加了 ceth0 设备并且分配了IP地址 172.18.0.0/16。因为我们使用的不是简单的 IP 地址，而是地址和子网掩码的组合，网络栈可以从其中提取出路由信息。目的地是 172.18.0.0/16 的每个网络包都会通过 ceth0 设备。但是其他包会被丢弃。类似的，root 命名空间也有了个新的路由：

这里，就可以回答第一个问题了。我们了解了如何隔离，虚拟化并且连接Linux网络栈。

使用虚拟网络 switch（网桥）连接容器

容器化思想的驱动力是高效的资源共享。所以，一台机器上只运行一个容器并不常见。相反，最终目标是尽可能地在共享的环境上运行更多的隔离进程。因此，如果按照上述 veth 方案，在同一台主机上放置多个容器的话会发生什么呢？让我们尝试添加第二个容器。

晕！有地方出错了……netns1 有问题。它无法连接到 root，并且从 root 命名空间里也无法访问到它。但是，因为两个容器都在相同的 IP 网段 172.18.0.0/16 里，从 netns0 容器可以访问到主机的 veth1。

这里花了些时间来找到原因，不过很明显遇到的是路由问题。先查一下 root 命名空间的路由表：

如果我们为 netns1 选择其他的网段，应该就都可以连通。但是，多个容器在同一个 IP 网段上应该是合理的使用场景。因此，我们需要调整 veth 方案。

别忘了还有 Linux 网桥——另一种虚拟化网络技术！Linux 网桥作用类似于网络 switch。它会在连接到其上的接口间转发网络包。并且因为它是 switch，它是在 L2 层完成这些转发的。

试试这个工具。但是首先，需要清除已有设置，因为之前的一些配置现在不再需要了。删除网络命名空间：

快速重建两个容器。注意，我们没有给新的veth0和veth1设备分配任何IP地址：

确保主机上没有新的路由：

最后创建网桥接口：

将veth0和veth1接到网桥上：

检查容器间的连通性：

太好了！工作得很好。用这种新方案，我们根本不需要配置 veth0 和 veth1。只需要在 ceth0 和 ceth1 端点分配两个 IP 地址。但是因为它们都连接在相同的 Ethernet上（记住，它们连接到虚拟 switch上），之间在 L2 层是连通的：

太好了，我们学习了如何将容器变成友邻，让它们互不干扰，但是又可以连通。

连接外部世界（ IP 路由和地址伪装（masquerading））

容器间可以通信。但是它们能和主机，比如root命名空间，通信吗？

root 命名空间不能和容器通信：

要建立 root 和容器命名空间的连通性，我们需要给网桥网络接口分配 IP 地址：

一旦给网桥网络接口分配了 IP 地址，在主机的路由表里就会多一条路由：

容器可能也可以 ping 网桥接口，但是它们还是无法连接到主机的 eth0。需要为容器添加默认的路由：

这个改动基本上把主机变成了路由，并且网桥接口变成了容器间的默认网关。

很好，我们将容器连接到 root 命名空间上。现在，继续尝试将它们连接到外部世界。Linux 上默认 disable 了网络包转发（比如，路由功能）。我们需要先启用这个功能：

再次检查连通性：

还是不工作。哪里弄错了呢？如果容器可以向外部发包，那么目标服务器无法将包发回容器，因为容器的IP地址是私有的，那个特定 IP 的路由规则只有本地网络知道。并且有很多容器共享的是完全相同的私有IP地址 172.18.0.10。这个问题的解决方法称为网络地址翻译（NAT）。在到达外部网络之前，容器发出的包会将源IP地址替换为主机的外部网络地址。主机还会跟踪所有已有的映射，会在将包转发回容器之前恢复之前被替换的 IP 地址。听上去很复杂，但是有一个好消息！iptables 模块让我们只需要一条命令就可以完成这一切：

命令非常简单。在 nat 表里添加了一条 POSTROUTING chain 的新路由，会替换伪装所有源于 172.18.0.0/16 网络的包，但是不通过网桥接口。

检查连通性：

要知道这里我们用的默认策略——允许所有流量，这在真实的环境里是非常危险的。主机的默认 iptables 策略是ACCEPT：

让外部世界可以访问容器（端口发布）

大家都知道可以将容器端口发布给一些（或者所有）主机的接口。但是端口发布到底是什么意思呢？

假设容器内运行着服务器：

如果我们试着从主机上发送一个HTTP请求到这个服务器，一切都工作得很好（root命名空间和所有容器接口之间有链接，当然可以连接成功）：

但是，如果要从外部访问这个服务器，应该使用哪个IP呢？我们知道的唯一 IP 是主机的外部接口地址 eth0：

因此，我们需要找到方法，能够将到达主机 eth0 5000端口的所有包转发到目的地 172.18.0.10:5000。又是 iptables来帮忙！

另外，需要让iptables能够在桥接网络上截获流量：

理解 Docker 网络驱动

我们可以怎么使用这些知识呢？比如，可以试着理解 Docke r网络模式[1]。

从 ​​--network host​​ 模式开始。试着比较一下命令 ​​ip link​​ 和 ​​sudo docker run -it --rm --network host alpine ip link​​ 的输出。它们几乎一样！在 host 模式下，Docker 简单地没有使用网络命名空间隔离，容器就在 root 网络命名空间里工作，并且和主机共享网络栈。

下一个模式是 --networknone。sudo docker run -it --rm --network host alpine ip link 的输出只有一个  loopback 网络接口。这和之前创建的网络命名空间，没有添加 veth 设备前很相似。

最后是 --network bridge（默认）模式。这正是我们前文尝试创建的模式。大家可以试试ip 和iptables命令，分别从主机和容器的角度观察一下网络栈。

rootless 容器和网络

Podman 容器管理器的一个很好的特性是关注于 rootless 容器。但是，你可能注意到，本文使用了很多 sudo 命令。说明，没有 root 权限无法配置网络。Podman 在 root 网络上的方案[2] 和Docker非常相似。但是在 rootless 容器上，Podman 使用了  slirp4netns[3] 项目：

从 Linux 3.8 开始，非特权用户可以创建 user_namespaces(7) 的同时创建 network_namespaces(7)。但是，非特权网络命名空间并不是很有用，因为在主机和网络命名空间之间创建 veth(4) 仍然需要root权限

slirp4netns 可以用完全非特权的方式将网络命名空间连接到 Internet 上，通过网络命名空间里的一个TAP设备连接到用户态的TCP/IP栈（slirp）。

rootless 网络是很有限的：“从技术上说，容器本身没有 IP 地址，因为没有 root 权限，无法实现网络设备的关联。另外，从 rootless 容器 ping 是不会工作的，因为它缺少 CAP_NET_RAW 安全能力，而这是 ping 命令必需的。”但是它仍然比完全没有连接要好。

本文介绍的组织容器网络的方案仅仅是可能方案的一种（可能是最为广泛使用的一种）。还有很多别的方式，由官方或者第三方插件实现，但是所有这些方案都严重依赖于 Linux 网络虚拟化技术[4]。因此，容器化可以认为是一种虚拟化技术。

原文链接：https://iximiuz.com/en/posts/container-networking-is-simple/