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Docker网络(CNM、Libnetwork和驱动)简介

网络已经无处不在。每当基础设施出现问题时,被抱怨的通常是网络,很大一部分原因是,网络负责连接一切——无网络,无 APP!

Docker 早期阶段,网络设计确实非常复杂,那时候配置网络几乎是一种乐趣。

Docker 在容器内部运行应用,这些应用之间的交互依赖于大量不同的网络,这意味着 Docker 需要强大的网络功能。幸运的是,Docker 对于容器之间、容器与外部网络和 VLAN 之间的连接均有相应的解决方案。

后者对于那些需要跟外部系统(如虚拟机和物理机)的服务打交道的容器化应用来说至关重要。

Docker 网络架构源自一种叫作容器网络模型(CNM)的方案,该方案是开源的并且支持插接式连接。

Libnetwork 是 Docker 对 CNM 的一种实现,提供了 Docker 核心网络架构的全部功能。不同的驱动可以通过插拔的方式接入 Libnetwork 来提供定制化的网络拓扑。

为了实现开箱即用的效果,Docker 封装了一系列本地驱动,覆盖了大部分常见的网络需求。其中包括单机桥接网络(Single-Host Bridge Network)、多机覆盖网络(Multi-Host Overlay),并且支持接入现有 VLAN。

Docker 生态系统中的合作伙伴通过提供驱动的方式,进一步拓展了 Docker 的网络功能。Libnetwork 提供了本地服务发现和基础的容器负载均衡解决方案。

基础理论

在顶层设计中,Docker 网络架构由 3 个主要部分构成:CNM、Libnetwork 和驱动。
  • CNM 是设计标准。在 CNM 中,规定了 Docker 网络架构的基础组成要素。
  • Libnetwork 是 CNM 的具体实现,并且被 Docker 采用,Libnetwork 通过 Go 语言编写,并实现了 CNM 中列举的核心组件。
  • 驱动通过实现特定网络拓扑的方式来拓展该模型的能力。

下图展示了顶层设计中的每个部分是如何组装在一起的。

顶层设计

1) CNM

一切都始于设计!

Docker 网络架构的设计规范是 CNM。CNM 中规定了 Docker 网络的基础组成要素,完整内容见 GitHub 的 docker/libnetwork 库。

抽象来讲,CNM 定义了 3 个基本要素:沙盒(Sandbox)、终端(Endpoint)和网络(Network)。
  • 沙盒是一个独立的网络栈。其中包括以太网接口、端口、路由表以及 DNS 配置。
  • 终端就是虚拟网络接口。就像普通网络接口一样,终端主要职责是负责创建连接。在 CNM 中,终端负责将沙盒连接到网络。
  • 网络是 802.1d 网桥(类似大家熟知的交换机)的软件实现。因此,网络就是需要交互的终端的集合,并且终端之间相互独立。

下图展示了 3 个组件是如何连接的。

CNM

Docker 环境中最小的调度单位就是容器,而 CNM 也恰如其名,负责为容器提供网络功能。

下图展示了 CNM 组件是如何与容器进行关联的——沙盒被放置在容器内部,为容器提供网络连接。

CNM组件与容器进行关联

容器 A 只有一个接口(终端)并连接到了网络 A。容器 B 有两个接口(终端)并且分别接入了网络 A 和网络 B。容器 A 与 B 之间是可以相互通信的,因为都接入了网络 A。但是,如果没有三层路由器的支持,容器 B 的两个终端之间是不能进行通信的。

需要重点理解的是,终端与常见的网络适配器类似,这意味着终端只能接入某一个网络。因此,如果容器需要接入到多个网络,就需要多个终端。

下图对前面的内容进行拓展,加上了 Docker 主机。虽然容器 A 和容器 B 运行在同一个主机上,但其网络堆栈在操作系统层面是互相独立的,这一点由沙盒机制保证。

加入Docker主机

2) Libnetwork

CNM 是设计规范文档,Libnetwork 是标准的实现。Libnetwork 是开源的,采用 Go 语言编写,它跨平台(Linux 以及 Windows),并且被 Docker 所使用。

在 Docker 早期阶段,网络部分代码都存在于 daemon 当中。daemon 变得臃肿,并且不符合 UNIX 工具模块化设计原则,即既能独立工作,又易于集成到其他项目。

所以,Docker 将该网络部分从 daemon 中拆分,并重构为一个叫作 Libnetwork 的外部类库。

现在,Docker 核心网络架构代码都在 Libnetwork 当中。Libnetwork 实现了 CNM 中定义的全部 3 个组件。此外它还实现了本地服务发现(Service Discovery)、基于 Ingress 的容器负载均衡,以及网络控制层和管理层功能。

3) 驱动

如果说 Libnetwork 实现了控制层和管理层功能,那么驱动就负责实现数据层。比如,网络连通性和隔离性是由驱动来处理的,驱动层实际创建网络对象也是如此,其关系如下图所示。

控制层、管理层与数据层的关系

Docker 封装了若干内置驱动,通常被称作原生驱动或者本地驱动。

在 Linux 上包括 Bridge、Overlay 以及 Macvlan,在 Windows 上包括 NAT、Overlay、Transport 以及 L2 Bridge。

第三方也可以编写 Docker 网络驱动。这些驱动叫作远程驱动,例如 Calico、Contiv、Kuryr 以及 Weave。

每个驱动都负责其上所有网络资源的创建和管理。举例说明,一个叫作“prod-fe-cuda”的覆盖网络由 Overlay 驱动所有并管理。这意味着 Overlay 驱动会在创建、管理和删除其上网络资源的时候被调用。

为了满足复杂且不固定的环境需求,Libnetwork 支持同时激活多个网络驱动。这意味着 Docker 环境可以支持一个庞大的异构网络。

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