Docker 网络和资源限制

一、Docker 网络的概念

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。

• Docker网桥是宿主机虚拟出来的，并不是真实存在的网络设备，外部网络是无法寻址到的，这也意味着外部网络无法直接通过 Container-IP 访问到容器。如果容器希望外部访问能够访问到，可以通过映射容器端口到宿主主机（端口映射），即 docker run 创建容器时候通过 -p 或 -P 参数来启用，访问容器的时候就通过[宿主机IP]:[容器端口]访问容器。

docker run -d --name test1 -P nginx					#随机映射端口（从32768开始）

docker run -d --name test2 -p 43000:80 nginx		#指定映射端口

docker ps -a
CONTAINER ID   IMAGE     COMMAND                  CREATED          STATUS          PORTS                   NAMES
9d3c04f57a68   nginx     "/docker-entrypoint.…"   4 seconds ago    Up 3 seconds    0.0.0.0:43000->80/tcp   test2
b04895f870e5   nginx     "/docker-entrypoint.…"   17 seconds ago   Up 15 seconds   0.0.0.0:49170->80/tcp   test1

浏览器访问：http://192.168.80.10:43000	、http://192.168.80.10:49170

2、查看容器的输出和日志信息

docker logs 容器的ID/名称

3、Docker 的网络模式：

• Host：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。
• Container：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。
• None：该模式关闭了容器的网络功能。
• Bridge：默认为该模式，此模式会为每一个容器分配、设置IP等，并将容器连接到一个docker0虚拟网桥，通过docker0网桥以及iptables nat 表配置与宿主机通信。
• 自定义网络

安装Docker时，它会自动创建三个网络，bridge（创建容器默认连接到此网络）、 none 、host

docker network ls	 或  docker network list			#查看docker网络列表
NETWORK ID     NAME      DRIVER    SCOPE
2b4359d229c6   bridge    bridge    local
0fa580365d39   host      host      local
cc13aa84a223   none      null      local

4、容器的网络模式

• 使用docker run创建Docker容器时，可以用 --net 或 --network 选项指定
• ●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。
  

二、网络模式详解

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。

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。

docker run -itd --name test1 centos:7 /bin/bash			#--name 选项可以给容器创建一个自定义名称

docker ps -a
CONTAINER ID   IMAGE      COMMAND       CREATED      STATUS       PORTS     NAMES
3ed82355f811   centos:7   "/bin/bash"   5 days ago   Up 6 hours             test1

docker inspect -f '{{.State.Pid}}' 3ed82355f811			#查看容器进程号
25945

ls -l /proc/25495/ns					#查看容器的进程、网络、文件系统等命名空间编号
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 11:29 ipc -> ipc:[4026532572]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 11:29 mnt -> mnt:[4026532569]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 11:27 net -> net:[4026532575]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 11:29 pid -> pid:[4026532573]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 12:22 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 11:29 uts -> uts:[4026532570]

docker run -itd --name test2 --net=container:3ed82355f811 centos:7 /bin/bash
docker ps -a
CONTAINER ID   IMAGE      COMMAND       CREATED          STATUS          PORTS     NAMES
ff96bc43dd27   centos:7   "/bin/bash"   48 seconds ago   Up 46 seconds             test2
3ed82355f811   centos:7   "/bin/bash"   58 minutes ago   Up 58 minutes             test1

docker inspect -f '{{.State.Pid}}' ff96bc43dd27
27123

ls -l /proc/27123/ns			#查看可以发现两个容器的 net namespace 编号相同
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 12:27 ipc -> ipc:[4026532692]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 12:27 mnt -> mnt:[4026532690]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 12:27 net -> net:[4026532575]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 12:27 pid -> pid:[4026532693]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 12:27 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月   7 12:27 uts -> uts:[4026532691]

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。

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。

5、自定义网络

#直接使用bridge模式，是无法支持指定IP运行docker的，例如执行以下命令就会报错
docker run -itd --name test3 --network bridge --ip 172.17.0.10 centos:7 /bin/bash

//创建自定义网络
#可以先自定义网络，再使用指定IP运行docker
docker network create --subnet=172.18.0.0/16 --opt "com.docker.network.bridge.name"="docker1"  mynetwork

----------------------------------------------------------------------------------------------------------
#docker1 为执行 ifconfig -a 命令时，显示的网卡名，如果不使用 --opt 参数指定此名称，那你在使用 ifconfig -a 命令查看网络信息时，看到的是类似 br-110eb56a0b22 这样的名字，这显然不怎么好记。
#mynetwork 为执行 docker network list 命令时，显示的bridge网络模式名称。
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
docker run -itd --name test4 --net mynetwork --ip 172.18.0.10 centos:7 /bin/bash

三、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。

1、CPU 资源控制

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

docker run -itd --name test5 centos:7 /bin/bash

docker ps -a
CONTAINER ID   IMAGE      COMMAND       CREATED      STATUS       PORTS     NAMES
3ed82355f811   centos:7   "/bin/bash"   5 days ago   Up 6 hours             test5

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。
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

进行CPU压力测试

docker exec -it 3ed82355f811 /bin/bash
vim /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/3ed82355f81151c4568aaa6e7bc60ba6984201c119125360924bf7dfd6eaa42b/
echo 50000 > cpu.cfs_quota_us
docker exec -it 3ed82355f811 /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
c3ee18e65852   c2               66.50%    5.5MiB / 976.3MiB     0.56%     20.4MB / 265kB   115MB / 14.2MB    4
bb02d3b345d8   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、对内存使用的限制

//-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, 10.0025 s, 1.0 MB/s

#清理docker占用的磁盘空间
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