【云原生】Docker网络及Cgroup资源控制

一、Docker网络

1.docker网络实现原理

Docker使用Linux桥接，在宿主机虚拟一个Docker容器网桥(docker0)，Docker启动一个容器时会根据Docker网桥的网段分配给容器一个IP地址，称为Container-IP，同时Docker网桥是每个容器的默认网关。因为在同一宿主机内的容器都接入同一个网桥，这样容器之间就能够通过容器的 Container-IP 直接通信。

 2.docker的网络模式

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）

使用docker run创建Docker容器时，可以用 --net 或 --network 选项指定容器的网络模式
●host模式：使用 --net=host 指定。
●none模式：使用 --net=none 指定。
●container模式：使用 --net=container:NAME_or_ID 指定。
●bridge模式：使用 --net=bridge 指定，默认设置，可省略。 

1）host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 Namespace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，容器和宿主机使用同一个IP、端口范围(容器和宿主机不可以使用相同的端口)等网络资源

#创建容器test1，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 test1 --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://192.168.190.10:80

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IP，而是和一个指定的容器共享IP、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。

与指定容器共享网络命名空间，两个容器使用同一个IP、端口范围(两个容器不可以使用相同的端口)等网络资源

 

基于镜像centos:7 创建一个名为web1的容器
docker run -itd --name web1 centos:7 /bin/bash
查看容器web1的pid号
docker inspect -f '{{.State.Pid}}' web1
ls -l /proc/web1的pid/ns
 
创建web2容器，使用container网络模式，和web2共享网络命名空间
docker run -itd --name web2 --net=container:web1 centos:7 bash
查看web2容器的pid
docker inspect -f '{{.State.Pid}}' web2
ls -l /proc/web2的pid/ns/
可以看到web2和web1共享同一个网络命名空间
 

 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Docker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。

 每个容器都有独立的网络命名空间，但是容器没有eth0网卡、IP、端口等，只有lo网卡

4） bridge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docker0虚拟网卡。通过docker0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Network Namespace、设置IP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Docker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docker0的IP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。

docker默认得网络模式。每个容器都有独立的网络命名空间(net namespace)，每个容器有独立的IP、端口范围(每个容器可以使用相同的端口)、路由、iptables规则等

[root@localhost~] # docker run -id --name c1  centos:7
7e58036ebc1761ded7734f9b5b2024bb67a803c13443a3938cdadb59e552e6d2
[root@localhost~] # docker run -id --name c2  centos:7
6071236a94a7d0f9afc5e28bbbc747e57fe0378837ecc374997d83809eeaa540
[root@localhost~] # docker run -id --name c3  centos:7
c15001d3341396783760106481eec514ac7f57451ff5457a04cd6eea848e0094
[root@localhost~] # brctl show
bridge name	bridge id		STP enabled	interfaces
docker0		8000.0242ffc896ea	no		veth16145e4
							veth18d626e
							vethc8f7bb8
virbr0		8000.525400d2ee29	yes		virbr0-nic
[root@localhost~] # docker run -id --name c4  -p 8080:80 centos:7
e28bff2010dd7801f0efa416f2f263a1d1cc597fc6569bc09d80e75f01608741
[root@localhost~] # docker ps -a
CONTAINER ID   IMAGE      COMMAND       CREATED          STATUS          PORTS                                   NAMES
e28bff2010dd   centos:7   "/bin/bash"   7 seconds ago    Up 6 seconds    0.0.0.0:8080->80/tcp, :::8080->80/tcp   c4
c15001d33413   centos:7   "/bin/bash"   27 seconds ago   Up 27 seconds                                           c3
6071236a94a7   centos:7   "/bin/bash"   37 seconds ago   Up 36 seconds                                           c2
7e58036ebc17   centos:7   "/bin/bash"   45 seconds ago   Up 45 seconds                                           c1

 5）自定义网络

未创建自定义网络时，创建指定IP容器的测试

指定容器IP的方式： 

注意：创建指定IP的容器也需要基于docker网卡的IP网段 

docker run -id --name a1 --ip 172.17.0.33  nginx
ping 172.17.0.33
docker run -id --name a2 --network bridge --ip 172.17.44  nginx

 创建自定义docker网络

docker network create --subnet=172.33.0.0/16 --opt "com.docker.network.bridge.name"="docker1" mynetwork

 再次创建指定IP的容器：

docker run -id --net=mynetwork --ip 172.33.0.33 --name a3 centos:7
ping 172.33.0.33

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。

二、 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。

 1.docker占用宿主机cpu的限制

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。
而容器的 CPU 配额必须不小于 1ms，即 --cpu-quota 的值必须 >= 1000。
 

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） 进行CPU压力测试

进行CPU压力测试
docker exec -it ee97db7bbc0e /bin/bash
vi /cpu.sh
#!/bin/bash
i=0
while true
do
let i++
done

chmod +x /cpu.sh
./cpu.sh

top					可以看到这个脚本占了很多的cpu资源

设置50%的比例分配CPU使用时间上限
docker run -itd --name test6 --cpu-quota 50000 centos:7 /bin/bash	#可以重新创建一个容器并设置限额
或者
cd /sys/fs/cgroup/cpu/docker/ee97db7bbc0e5c21133c0ec6ed4ae249607c170cd48cc409313b0cd798183c99
echo 50000 > cpu.cfs_quota_us
docker exec -it ee97db7bbc0e /bin/bash
./cpu.sh

top					#可以看到cpu占用率接近50%，cgroups对cpu的控制起了效果

在多核情况下，如果允许容器进程完全占用两个 CPU， 则可以将 cpu-period 设置为 100000（ 即 0.1 秒）， cpu-quota设置为 200000（0.2 秒）。

 2）设置CPU资源占用比（设置多个容器时才有效）

Docker 通过 --cpu-shares 指定 CPU 份额，默认值为1024，值为1024的倍数。
#创建两个容器为 c1 和 c2，若只有这两个容器，设置容器的权重，使得c1和c2的CPU资源占比为1/3和2/3。
docker run -itd --name c1 --cpu-shares 512 centos:7	
docker run -itd --name c2 --cpu-shares 1024 centos:7

#分别进入容器，进行压力测试
yum install -y epel-release
yum install -y stress
stress -c 4				#产生四个进程，每个进程都反复不停的计算随机数的平方根

#查看容器运行状态（动态更新）
docker stats
CONTAINER ID   NAME             CPU %     MEM USAGE / LIMIT     MEM %     NET I/O          BLOCK I/O         PIDS
1f5745917472   c2               66.50%    5.5MiB / 976.3MiB     0.56%     20.4MB / 265kB   115MB / 14.2MB    4
ca3a9c360230  c1               32.68%    2.625MiB / 976.3MiB   0.27%     20.4MB / 325kB   191MB / 12.7MB    4

可以看到在 CPU 进行时间片分配的时候，容器 c2 比容器 c1 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 c1 一定能获得 CPU 时间片。比如容器 c1 的进程一直是空闲的，那么容器 c2 是可以获取比容器 c1 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）设置容器绑定指定的CPU

先分配虚拟机4个CPU核数
docker run -itd --name test7 --cpuset-cpus 1,3 centos:7 /bin/bash

进入容器，进行压力测试
yum install -y epel-release
yum install stress -y
stress -c 4

退出容器，执行 top 命令再按 1 查看CPU使用情况。

 2.对内存使用限制

//-m(--memory=) 选项用于限制容器可以使用的最大内存
docker run -itd --name test8 -m 512m centos:7 /bin/bash

docker stats

//限制可用的 swap 大小， --memory-swap
强调一下，--memory-swap 是必须要与 --memory 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 - 300）的 swap。

如果 --memory-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）。

 3.对磁盘IO配额控制（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。
例：docker run -itd --name test9 --device-read-bps /dev/sda:1M  centos:7 /bin/bash

--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。
例：docker run -itd --name test10 --device-write-bps /dev/sda:1mb centos:7 /bin/bash

--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）

创建容器，并限制写速度
docker run -it --name test10 --device-write-bps /dev/sda:1mb centos:7 /bin/bash

通过dd来验证写速度
dd if=/dev/zero of=test.out bs=1M count=10 oflag=direct	添加oflag参数以规避掉文件系统cache
10+0 records in
10+0 records out
10485760 bytes (10 MB) copied, 10.0033 s, 1.0 MB/s

默认情况容器的写速度

[root@localhost~] # docker run -id --name e1  centos:7
fc47a2e5778fd4616b78f7e243cba135c5631afaf294e6d382a0d859a1ba956d
[root@localhost~] # docker exec -it e1 bash
[root@fc47a2e5778f /]# dd if=/dev/zero  of=/opt/test.txt bs=10M count=5 oflag=direct
5+0 records in
5+0 records out
52428800 bytes (52 MB) copied, 0.0413864 s, 1.3 GB/s
[root@fc47a2e5778f /]# 

 4.清理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			#可以用于清理磁盘，删除关闭的容器、无用的数据卷和网络