【云原生】Docker网络原理及Cgroup硬件资源占用控制

1.dockers的网络模式

 获取容器的进程号

docker inspect -f '{{.State.Pid}}' 容器id/容器名

docker网络模式的特性 

docker初始状态下有三种默认的网络模式 ，bridg（桥接），host（主机），none（无网络设置）

[root@localhost ~]#docker network  ls
 

网络模式	配置	说明
host//主机模式	–network host	容器和宿主机共享网络命名空间
container//容器模式	–network container:容器的id或者名字	容器与指定的容器共享网络命名空间
none//无网络模式	–network none	容器拥有独自的网络命名空间，但是没有任何设置
bridge//桥接模式	–network bridge	容器拥有独自的网络命名空间，且拥有独立的IP，端口，路由等，使用veth pair 连接docker0 网桥，并以docker0网桥为网关

1.1 host主机模式

相当于Vmware中的桥接模式，与宿主机在同一个网络中，但没有独立IP地址。Docker使用了Linux的Namespaces技术来进行资源隔离，如PID Namespace隔离进程，Mount Namespace隔离 文件系统，Network Namespace隔离网络等。一个Network Namespace提供了一份独立的网络环境，包括网卡、路由、iptable规则等都与其他的Network Namespacel隔离。一个Docker容器一 般会分配一个独立的Network. Namespace。

但如果启动容器的时候使用host模式， 那么这个容器将不会获得一 个独立的Network Namespace,而是和宿主机共用一个Network Namespace。 容器将不会虚拟出自己的网卡、配置自己的IP等，而是使用宿主机的IP和端口。

容器和宿主机共享网络命名空间，但没有独立IP地址，使用宿主机的IP地址，和宿主机共享端口范围，例如宿主机使用了80端口，那么容器不能使用80端口。这种模式比较方便，但不安全。 
 

 #创建容器web1，指定网络模式为 host
 #容器和宿主机共享网络命名空间，但没有独立IP地址。使用宿主机的IP，和宿主机共享端口范围。
 docker run -d --name web1 --net=host nginx
 ​
 #访问宿主机的ip和80端口，则可以访问到tt1的nginx服务
 curl http://192.168.50.24:80

1.2  container模式

在理解了host模式后，这个模式也就好理解了。这个模式指定新创建的容器和已经存在的一个容器共享一个Network Namespace，而不是和宿主机共享。 新创建的容器不会创建自己的网卡，配置自己的Ie，而是和一个指定的容器共享re、端口范围等。同样，两个容器除了网络方面，其他的如文件系统、进程列表等还是隔离的。两个容器的进程可以通过lo网卡设备通信。

新创建的B容器和A容器共享命名空间。假如A容器使用了80端口，B容器就不能使用80端口。
 

#基于镜像centos:7 创建一个名为web2的容器
docker run -itd --name web2 centos:7 /bin/bash
#查看容器web2的pid号
docker inspect -f '{{.State.Pid}}' web2

#查看web2的网络命名空间
ls -l /proc/web2的pid/ns
 
#创建web3容器，使用container网络模式，和web2共享网络命名空间
docker run -itd --name web3 --net=container:web2 centos:7 bash
#查看web3容器的pid
docker inspect -f '{{.State.Pid}}' web3
ls -l /proc/web3的pid/ns/
#可以看到web3和web2共享同一个网络命名空间
 

 

1.3  none模式

使用none模式，Docker容器拥有自己的Network Namespace，但是，并不为Docker容器进行任何网络配置。也就是说，这个locker容器没有网卡、iP、路由等信息。这种网络模式下容器只有lo回环网络，没有其他网卡、这种类型的网络没有办法联网，封闭的网络能很好的保证容器的安全性。
 

 1.4 bridge 桥接模式

 bridge模式是docker的默认网络模式，不用--net参数，就是bridge模式。

相当于Vmware中的 nat模式，容器使用独立.network Namespace，并连接到docker)虚拟网卡。通过dockerO网桥以及iptables

nat表配置与宿主机通信，此模式会为每一个容器分配hetwork Mamespace、设置等，并将一个主机上的 Docker容器连接到一个虚拟网桥上。

 (1)当Docker进程启动时，会在主机上创建一个名为docker0的虚拟网桥，此主机上启动的Dokcer容器会连接到这个虚拟网桥上。虚拟网桥的工作方式和物理交换机类似，这样主机上的所有容器就通过交换机连在了一个二层网络中。

(2)从docker0子网中分配一个IP给容器使用，并设置dockerO的I地址为容器的默认网关。在主机上创建一对虚拟网卡veth pair设备。veth设备总是成对出现的，它们组成了一个数据的通道，数据从一个设备进入，就会从另一个设备出来、因此，veth设备常用来连接两个网络设备。

(3 ) Docker将 veth pair 设备的一端放在新创建的容器中，并命名为eth0(容器的网卡)，另一端放在主机中，以veth*这样类似的名字命名，并将这个网络设备加入到docker0网桥中。可以通过 brctl show命令查看。

(4) 使用docker run -p 时，docker实际是在iptables做了DNAT规则，实现端口转发功能。可以使用iptables -t nat -vnL查看。

[root@localhost opt]#docker run -id --name c1  centos:7
[root@localhost opt]#docker run -id --name c2  centos:7
[root@localhost opt]#docker run -id --name c3  centos:7
[root@localhost opt]#brctl show
[root@localhost opt]#docker run -id --name c4  -p 8080:80 centos:7
[root@localhost opt]#brctl show
[root@localhost opt]#docker ps -a
                                     

1.5 容器的自定义网络 

ifconfig docker0

  创建自定义网络：

docker network create --subnet=172.66.0.0/16 --opt "com.docker.network.bridge.name"="docker1" mynetwork

docker network create --subnet=172.66.0.0/16 --opt "com.docker.network.bridge.name"="docker1" mynetwork
 

再次创建指定IP的容器：

docker run -id --net=mynetwork --ip 172.66.0.66 --name a3 centos:7
ping 172.66.0.66

Docker容器网络生产经验，docker的网络建议和宿主机的IP"对照”：

 比如宿主机地址10.2.5.6，容器的地址就可以修改为172.5.6.x，这样方便在故障发生时，更容易定位故障节点位置。 

删除自定义网络：

如果想要删除自定义的网络，可以使用 docker network rm 网络模式名称 进行删除，例如docker network rm mynetwork。

 删除网络模式前，需要先确保使用该网络模式创建的容器已退出（即已停止）。如果容器仍在运行，则该网络无法删除。
 

2. Docker容器的资源控制

 Docker通过Cgroup 来控制容器使用的资源配额，包括CPU、内存、磁盘三大方面，基本覆盖了常见的资源配额和使用量控制。Cgroup 是ControlGroups的缩写，是Linux 内核提供的一种可以限制、记录、隔离进程组所使用的物理资源(如 cpu、内存、磁盘，io等等)的机制，被LXC、docker等很多项目用于实现进程资源控制。Cgroup本身是提供将进程进行分组化管理的功能和接口的基础结构，I/O或内存的分配控制等具体的资源管理是通过该功能来实现的。

资源限制：可以对任务使用的资源总额进行限制。
优先级分配：通过分配的cpu时间片数量以及磁盘IO带宽大小，实际上相当于控制了任务运行优先级。
资源统计：可以统计系统的资源使用量，如cpu时长，内存用量等。
任务控制： cgroup可以对任务 执行挂起、恢复等操作。
 

 3 .docker占用宿主机cpu的限制

3.1 cpu的使用率上限

 Linux通过CFS (Completely Fair Scheduler，完全公平调度器）来调度各个进程对cpu的使用。CFS默认的调度周期是100ms 。我们可以设置每个容器进程的调度周期，以及在这个周期内各个容器最多能使用多少CPU时间。

使用--cpu-period 即可设置调度周期，使用--cpu-quota即可设置在每个周期内容器能使用的CPU时间。两者可以配合使用。CFS周期的有效范围是 1ms~1s，对应的--cpu-period 的数值范围是1000~1000000(单位微秒)。而容器的CPU配额必须不小于1ms，即--cpu-quota的值必须>= 1000。而容器的CPU配额必须不小于1ms，即--cpu-quota的值必须>= 1000。

1秒=1000毫秒=1000000微秒

cd /sys/fs/cgroup/cpu/docker/3ed82355f81151c4568aaa6e7bc60ba6984201c119125360924bf7dfd6eaa42b/
cat cpu.cfs_quota_us 
-1

cat cpu.cfs_period_us 
100000
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
#cpu.cfs_period_us：cpu分配的周期(微秒，所以文件名中用 us 表示），默认为100000。
#cpu.cfs_quota_us：表示该cgroups限制占用的时间（微秒），默认为-1，表示不限制。 如果设为50000，表示占用50000/100000=50%的CPU。

（1）正常启用的cpu，测试使用上限

#正常创建容器（此时容器遵循默认的占用cpu资源规则）
[root@localhost ~]#docker run -id --name c1 centos:7
 
[root@localhost ~]#docker ps -a
 
[root@localhost ~]#docker exec -it c1 bash
 
[root@d6da0a6b999a /]# vi cpu.sh
 
#!/bin/bash
i=0
while true
do
let i++
done
 
 
[root@d6da0a6b999a /]# chmod +x cpu.sh 
 启动死循环脚本
[root@d6da0a6b999a /]# ./cpu.sh 

 由该结果可以看出，如果在创建容器时不限制它cpu使用的限制，是非常危险的一件事，一旦某个容器的程序异常陷入死循环，将直接导致其他容器中业务的中断 

（2）修改默认的容器时间分片上限规则，再次创建启动测试

直接进入的配置文件修改

docker start c1
docker ps -a
#d6da0a6b999aeaac89e2ce883b6ff057abd5f4c2319d9a539635ff8e1f43fe04为容器id
cd /sys/fs/cgroup/cpu/docker/d6da0a6b999aeaac89e2ce883b6ff057abd5f4c2319d9a539635ff8e1f43fe04
 
[root@localhost d6da0a6b999aeaac89e2ce883b6ff057abd5f4c2319d9a539635ff8e1f43fe04]#echo 50000 > cpu.cfs_quota_us 

（3）创建容器时指定容器的cpu资源占用量上限 

docker run -id --name c2 --cpu-quota 30000 centos:7
[root@localhost docker]#docker exec -it c2 bash
[root@10cfa036ff07 /]# vim cpu.sh
#!/bin/bash
i=0
while true
do
let i++
done
[root@10cfa036ff07 /]# vi cpu.sh
[root@10cfa036ff07 /]# chmod +x cpu.sh 
[root@10cfa036ff07 /]# ./cpu.sh 

 

 

（4）多cpu分配容器的使用上限

[root@localhost docker]#docker run -id --name c3 centos:7
 
[root@localhost docker]#docker ps -a
 
[root@localhost docker]#cd /sys/fs/cgroup/cpu/docker/a1ce6948cdb6167570e6ef2101bb407d7de79407fbd9b9ac737ed40487f91a5a/
[root@localhost a1ce6948cdb6167570e6ef2101bb407d7de79407fbd9b9ac737ed40487f91a5a]#ls
 
[root@localhost a1ce6948cdb6167570e6ef2101bb407d7de79407fbd9b9ac737ed40487f91a5a]#echo 200000 >  cpu.cfs_quota_us 

 

[root@localhost ~]#docker exec -it c3 bash
[root@a1ce6948cdb6 /]# vi cpu.bash
#!/bin/bash
i=0
while true
do
let i++
done
[root@a1ce6948cdb6 /]# chmod +x ./cpu.bash 
[root@a1ce6948cdb6 /]# ./cpu.bash 

 

 

3.2  设置cpu资源的占用比 

注意：该方式需要设置多个容器时才会生效 

 创建容器时可以使用选项  --cpu-shares  数值（该数值要为1024的倍数，1024代表一份，当个容器占用cpu的份额由自身分配的份数除于所有容器占用cpu的份数，就为该容器所占用cpu资源的百分比）进行分配

[root@localhost ~]#docker run -id --name b1 --cpu-shares 2048 centos:7
 
[root@localhost ~]#docker run -id --name b2 --cpu-shares 1024 centos:7
 
[root@localhost ~]#docker run -id --name b3 --cpu-shares 1024 centos:7
 

开启三个终端，启动容器压测：

#三个容器均为以下压测操作

docker exec -it b1 bash
#下载压测工具依赖环境
yum install -y epel-release
#下载压测工具
yum install -y stress
#进行四个线程压测
stress -c 4
 

 
#再开启一个终端查看测试结果
docker stats 

 

 

 

 

由测试结果， 可以看到在cPU进行时间片分配的时候，容器b1比容器b2和b3多一倍的机会获得cpu的时间片。但分配的结果取决于当时主机和其他容器的运行状态，实际上也无法保证容器 b2和b3一定能获得cpu时间片

比如容器b2和b3的进程一直是空闲的，那么容器b1是可以获取比容器b2和b3更多的cpu时间片的。极端情况下，例如主机上只运行了一个容器，即使它的cpu份额只有50，它也可以独占整个主机的cpu资源。

 Cgroups 只在容器分配的资源紧缺时，即在需要对容器使用的资源进行限制时，才会生效。因此，无法单纯根据某个容器的cpu 份额来确定有多少cpu资源分配给它，资源分配结果取决于同时运行的其他容器的CPU分配和容器中进程运行情况。
 

3.3 设置容器绑定指定的cpu 

查看主机中的cpu编号 

top   
按数字“1”

进行绑核创建容器 

[root@localhost ~]#docker run -id --name b4 --cpuset-cpus 2 centos:7
 

 exec进入容器进行压力测试：

yum install -y epel-release
yum insatll -y stress
 
stress -c 1

 

 

 4.  内存使用的限制

4.1 限制容器可以使用的最大内存

m （或--memory=）选项用于限制容器可以使用的最大内存 

docker run -itd --name d1 -m 512m centos:7 /bin/bash
docker  stats

4.2 限制容器可用的swap 大小 

#限制可用的swap 大小，--memory-swap  

●强调一下， --memory-swap是必须要与 --memory（或-m）一起使用的。

●正常情况下， --memory-swap 的值包含容器可用内存和可用swap 。

●所以 -m 300m --memory-swap=1g 的含义为：容器可以使用300M 的物理内存，并且可以使用700M (1G - 300M)的swap。  ​  设置为0或者不设置，则容器可以使用的 swap 大小为 -m 值的两倍。  如果 --memory-swap 的值和 -m 值相同，则容器不能使用swap。  如果 --memory-swap 值为 -1，它表示容器程序使用的内存受限，而可以使用的swap空间使用不受限制（宿主机有多少swap 容器就可以使用多少）。
 

 #--memory-swap 的值包含容器可用内存和可用swap，减去-m的值才是可用swap的值。
 #表示容器可以使用512M的物理内存，并且可以使用512M的swap。因为1g减去512m的物理
内存，剩余值才是可用swap。
 docker run -itd --name d2 -m 512m --memory-swap=1g centos:7 bash
 ​
 ​
 #--memoryswap值和 -m 的值相同，表示容器无法使用swap
 docker run -itd --name d3 -m 512m --memory-swap=512m centos:7 bash
 ​
 ​
 # --memory-swap 的值设置为0或者不设置，则容器可以使用的 swap 大小为 -m 值的两倍。
 docker run -itd --name d4 -m 512m centos:7 bash
 ​
 ​
 # --memory-swap 值为 -1，它表示容器程序使用的内存受限，但可以使用的swap空间
使用不受限制（宿主机有多少swap 容器就可以使用多少）。
 docker run -itd --name d5 -m 512m --memory-swap=-1 centos:7 bash
 

5. 对磁盘IO的配置控制（blkio）的限制 

-device-read-bps：限制某个设备上的读速度bps ( 数据量)，单位可以是kb、mb (M)或者gb。

--device-write-bps : 限制某个设备上的写速度bps ( 数据量)，单位可以是kb、mb (M)或者gb。

该速度是指每秒钟进行读写操作1M，1G或者是1kb 

--device-read-iops :限制读某个设备的iops (次数)

--device-write-iops :限制写入某个设备的iops ( 次数)
 

5.1 默认情况下容器的写速度 

[root@localhost ~]#docker run -id --name e1  centos:7
[root@localhost ~]#docker exec -it e1 bash
[root@8657384cb483 /]# dd if=/dev/zero  of=/opt/test.txt bs=10M count=5 oflag=direct
## oflag=direct 规避文件读写系统中所带来的缓存，避免影响测试结果

5.2 进行写速度限制的容器创建 

 
[root@localhost ~]#docker run -it --name e3 --device-write-bps /dev/sda:1M centos:7 /bin/bash
[root@6c1b8bcf6b44 /]# dd if=/dev/zero of=/opt/test.out bs=10M count=5 oflag=direct

 

6. 清除docker占用的磁盘空间

docker system prune -a 可用于清理磁盘，删除关闭的容器、无用的数据卷和网络。

docker system prune -a