容器网络原理分析：veth 和 network namespace

2024-01-20 14:54:10

1. Liunx veth-pair 和 network namespace

Docker 中容器的访问需要依赖 veth-pair 和 network namespace 等技术。network namespace（网络命名空间）代表的是独立的网络协议栈，不同的网络命令空间相互隔离，无法访问。而 veth-pair 可以打破这种限制，实现不同网络命令空间的相互访问。构建包含 veth-pair 和 network namespace 的示意图如下：

创建网络命名空间 ns1 和 ns2：

[root@lianhua netns]$ ip netns add ns1
[root@lianhua netns]$ ip netns add ns2
[root@lianhua netns]$ ip netns list
ns2
ns1

默认情况下创建的网络命名空间只有一个 loopback 接口，将它 up 起来：

[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns1 ip a
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
 
[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns1 ip link set dev lo up
[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns1 ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1
    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
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever

创建 veth-pair 设备 veth-ns1-a 和 veth-ns2-b，并将 veth-pair 分别加到对应的 network namespace 中：

[root@lianhua netns]$ ip link add veth-ns1-a type veth peer name veth-ns2-b
[root@lianhua netns]$ ip link set veth-ns1-a netns ns1
[root@lianhua netns]$ ip link set veth-ns2-b netns ns2
 
[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns1 ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1
    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
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
307: veth-ns1-a@if306: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
    link/ether 8a:a2:45:23:aa:28 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1
 
[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns2 ip a
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
306: veth-ns2-b@if307: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
    link/ether 5e:a9:4e:d9:e2:5d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

veth 设备在网络命名空间中的表现是一个网络接口，可以把它们想象成一根“网线”，网线一头连在 ns1，一头连在 ns2。将接口 up 起来：

[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns1 ip link set dev veth-ns1-a up
[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns2 ip link set dev veth-ns2-b up
[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns1 ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1
    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
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
307: veth-ns1-a@if306: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether 8a:a2:45:23:aa:28 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1
    inet6 fe80::88a2:45ff:fe23:aa28/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

为接口配置 ip：

[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns1 ip addr add 162.0.0.1/24 dev veth-ns1-a
[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns2 ip addr add 162.0.0.2/24 dev veth-ns2-b
[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns1 ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1
    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
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
307: veth-ns1-a@if306: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether 8a:a2:45:23:aa:28 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1
    inet 162.0.0.1/24 scope global veth-ns1-a
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::88a2:45ff:fe23:aa28/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

进入到网络命名空间 ns1 中访问 ns2：

[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns1 ping 162.0.0.2
PING 162.0.0.2 (162.0.0.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 162.0.0.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.066 ms
64 bytes from 162.0.0.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.027 ms
 
--- 162.0.0.2 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 999ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.027/0.046/0.066/0.020 ms
[root@lianhua netns]$ ip netns exec ns1 ip route
162.0.0.0/24 dev veth-ns1-a proto kernel scope link src 162.0.0.1

可以看到，veth-pair 实现了从网络命令空间 ns1 到 ns2 的访问。值得注意的是，在真实的 docker 网络模式下 veth-pair 打通的是容器 network namespace 和宿主机 root namespace 之间互相访问的限制，veth-pair 的一头在宿主机，一头在容器中（在容器中的一头会被 docker 更改接口名为 eth0）。

2. 容器网络原理

Docker 容器通过 namespace 做资源隔离，其中通过 network namespace 做网络资源隔离，docker 容器实质上可看作一个 network namespace。基于此，构建容器网络示意图如下：

创建网络命名空间 ns5，veth-pair 和网桥 lxcbr1:

[root@lianhua ~]$ ip netns add ns5
[root@lianhua ~]$ ip link add veth5.1 type veth peer name veth5.2
[root@lianhua ~]$ brctl addbr lxcbr1
[root@lianhua ~]$ brctl stp lxcbr1 off

将 veth5.2 添加到 ns5 内，veth5.1 连到网桥 lxcbr1：

[root@lianhua ~]$ ip link set veth5.2 netns ns5
[root@lianhua ~]$ ip netns exec ns5 ip link set dev veth5.2 up
 
[root@lianhua ~]$ ip link set dev veth5.1 up
[root@lianhua ~]$ brctl addif lxcbr1 veth5.1

在网桥 lxcbr1 上添加 ip，该 ip 将作为 ns5 网络接口的网关：

[root@lianhua ~]$ ifconfig lxcbr1 172.11.0.1/24 up
 
# 类似 docker 机制，将 veth5.2 改名为 eth0
[root@lianhua ~]$ ip netns exec ns5 ip link set dev veth5.2 down
[root@lianhua ~]$ ip netns exec ns5 ip link set dev veth5.2 name eth0
[root@lianhua ~]$ ip netns exec ns5 ip link set dev eth0 up
 
[root@lianhua ~]$ ip netns exec ns5 ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1
    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
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
312: eth0@if313: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether ea:23:3f:8f:9d:07 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet6 fe80::e823:3fff:fe8f:9d07/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
[root@lianhua ~]$ ip netns exec ns5 ifconfig eth0 172.11.0.2/24 up

为 network namespace 配置默认路由：

[root@lianhua ~]$ ip netns exec ns5 route add default gw 172.11.0.1
[root@lianhua ~]$ ip netns exec ns5 ip route
default via 172.11.0.1 dev eth0
172.11.0.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 172.11.0.2

进入 ns5 内访问宿主机：

[root@lianhua ~]$ ip netns exec ns5 ping 192.168.0.69
PING 192.168.0.69 (192.168.0.69) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.0.69: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.041 ms
64 bytes from 192.168.0.69: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.026 ms
 
--- 192.168.0.69 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 999ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.026/0.033/0.041/0.009 ms

3. 容器到 network namespace 的映射

前面介绍了，容器访问实际上是 network namespace 中 veth 设备的访问。那么我们在真实创建的容器中查看对应的 network namesapce：

[root@lianhua ~]$ docker ps
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND             CREATED             STATUS              NAMES
459df1132c4b        caps1371            "/bin/bash"         6 days ago          Up 6 days           test2
94a3abcf7e54        caps1371            "/bin/bash"         6 days ago          Up 6 days           test1
[root@lianhua ~]$ ip netns list

宿主机上有两个容器，但是为什么看不到容器对应的 network namespace？这是因为 ip nets 无法查看 docker 创建的 network namespace，进行如下适配即可看到容器对应的 network namespace。查找容器对应的进程号：

[root@lianhua ~]$ docker inspect --format '{{ .State.Pid }}' test1
43163
[root@lianhua ~]$ docker inspect --format '{{ .State.Pid }}' test2
43265

建立容器到 network namespace 的映射： # 创建 /var/run/netns 目录，ip netns 会查找该目录下的 network namespace

[root@lianhua ~]$ mkdir -p /var/run/netns
[root@lianhua ~]$ ln -s /proc/43163/ns/net /var/run/netns/test1
[root@lianhua ~]$ ln -s /proc/43265/ns/net /var/run/netns/test2

show network namespace：

[root@lianhua ~]$ ip netns list
test2 (id: 3)
test1 (id: 2)
 
[root@lianhua ~]$ ip netns exec test1 ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1
    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
298: eth0@if299: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:ac:19:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 172.25.0.2/16 brd 172.25.255.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
302: eth1@if303: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:ac:1a:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 172.26.0.3/16 brd 172.26.255.255 scope global eth1
       valid_lft forever preferred_lft forever
 
[root@lianhua ~]$ ip netns exec test2 ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1
    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
300: eth0@if301: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:ac:1a:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 172.26.0.2/16 brd 172.26.255.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever

在 network namespace 中 show 出了容器的网络接口。掌握了 veth-pair，network namespace 和容器的实现机制，那么我们就可以给正在运行的容器添加接口（veth-pair）了。进一步的，查看 test1 和 test2 的网络 id 是否一致：

[root@lianhua ~]$ ip netns exec test1 ls -la /proc/self/ns/
total 0
...
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jan 12 00:42 net -> net:[4026532403]
 
[root@lianhua ~]$ ip netns exec test2 ls -la /proc/self/ns/
total 0
...
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jan 12 00:42 net -> net:[4026532502]

net:[] 中括号内是 network namespace 的 id，相同的 network namespace 具有相同的 id，可以看到 test1 和 test2 的 id 是不一样的，验证了它们处于不同的 network namespace 中。

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1. Liunx veth-pair 和 network namespace

2. 容器网络原理

3. 容器到 network namespace 的映射

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