Docker集群（一） —— Docker网络及flannel介绍

【摘要】本文介绍docker网络原理和设置，以及在docker集群中需要解决的问题。最后介绍flannel在解决docker网络问题中的作用。

1   基础

在介绍docker的网络之前，必须先认识docker所依赖的几个linux技术，这对理解docker的网络有帮助。因水平有限这一节仅简单介绍，对linux网络原理感兴趣的TX可以继续深入研究。

1.1 网络命名空间：

Linux Namespaces机制提供一种资源隔离方案。PID,IPC,Network等系统资源不再是全局性的，而是属于特定的Namespace。每个Namespace里面的资源对其他Namespace都不可见。Linux提供6中命名空间， 现在讲的网络命名空间是其中的一种。

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“通常”会分配一个独立的NetworkNamespace。“通常”的意思是如果docker以host模式启动则与主机在同一个命名空间，后面还会讲到。

这样每个docker容器就好像拥有了一套独立的网络环境，甚至以为自己霸占了全部的主机，也许这也是使人们经常认为容器就是虚机的原因之一吧~~~

1.2 Veth设备对

Veth设备对可以在不同的网络命名空间之间通信，用他们可以连接两个网络命名空间。一对veth设备就像网线的两头一样。

1.3 网桥

简单来说，桥接就是把一台机器上的若干个网络接口“连接”起来。其结果是，其中一个网口收到的报文会被复制给其他网口并发送出去。以使得网口之间的报文能够互相转发。类似交换机。

linux内核支持网口的桥接与交换机有一点点不同不同，交换机只是一个二层设备，对于接收到的报文，要么转发、要么丢弃。而运行着linux内核的机器本身就是一台主机，有可能就是网络报文的目的地。其收到的报文除了转发和丢弃，还可能被送到网络协议栈的上层（网络层），从而被自己消化。

在docker启动时，会在主机上创建一个docker0网桥。通过docker0在同一个主机上的容器之间都可以通信，外部的消息也可以经过docker0进入容器。后面还会讲到。

het@het:~$  ifconfig docker0   Link encap:以太网  硬件地址 02:42:df:66:95:96            inet 地址:172.17.0.1  广播:0.0.0.0  掩码:255.255.0.0           inet6 地址: fe80::42:dfff:fe66:9596/64 Scope:Link           UP  BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1

2   Docker网络模式

Docker有以下4种网络模式：

  host模式，使用--net=host指定。

  container模式，使用--net=container:NAME_or_ID指定。

  none模式，使用--net=none指定。

  bridge模式，使用--net=bridge指定，默认设置。

2.1 Bridge模式

2.1.1  模式介绍

我们重点讲这个模式。Bridge是默认模式，正常docker启动时都已这个模式启动。在这个模式下当Docker server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。Docker0拥有一个自己的ip地址，有的书上说是172.17.42.1，但是我的机器上是172.17.0.1。总之是个172段的内部地址，机器外是访问不了的。

het@het:~$ ifconfig docker0    Link encap:以太网  硬件地址  02:42:df:66:95:96             inet 地址:172.17.0.1  广播:0.0.0.0  掩码:255.255.0.0            inet6 地址:  fe80::42:dfff:fe66:9596/64 Scope:Link            UP BROADCAST MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1            接收数据包:7 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0            发送数据包:30 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0            碰撞:0 发送队列长度:0            接收字节:480 (480.0  B)  发送字节:4909  (4.9 KB) eth0       Link encap:以太网  硬件地址  08:00:27:02:6c:8b             inet 地址:10.43.86.110  广播:10.43.86.255  掩码:255.255.255.0            inet6 地址:  fe80::a00:27ff:fe02:6c8b/64 Scope:Link            UP BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1            接收数据包:140296 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0            发送数据包:30286 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0            碰撞:0 发送队列长度:1000            接收字节:9847208 (9.8  MB)  发送字节:2946052  (2.9 MB) lo         Link encap:本地环回             inet 地址:127.0.0.1  掩码:255.0.0.0            inet6 地址: ::1/128  Scope:Host            UP LOOPBACK RUNNING   MTU:65536  跃点数:1            接收数据包:130 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0            发送数据包:130 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0            碰撞:0 发送队列长度:0           接收字节:17199  (17.1 KB)  发送字节:17199 (17.1 KB)

Docker容器处在自己的网络命名空间中，容器之间怎么互通呢，就是连这个docker0网桥。这里就用到前面另一个概念veth对。可以把veth对看成网线的两头，他一头在容器里另一头在主机上。下面我们建个容器，然后看看主机上ip的变化。

het@het:~$ docker run -it ubuntu //// 启动一个ubuntu镜像 root@3337bb998bf3:/# ifconfig ///////// 容器里的ip地址 eth0       Link encap:Ethernet  HWaddr  02:42:ac:11:00:03// 这个硬件地址也是docker分配的            inet  addr:172.17.0.3   Bcast:0.0.0.0  Mask:255.255.0.0            inet6 addr: fe80::42:acff:fe11:3/64 Scope:Link            UP BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  Metric:1            RX packets:18 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0            TX packets:6 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0            collisions:0 txqueuelen:0            RX bytes:2912 (2.9 KB)  TX bytes:508 (508.0 B) lo         Link encap:Local Loopback             inet addr:127.0.0.1   Mask:255.0.0.0            inet6 addr: ::1/128 Scope:Host            UP LOOPBACK RUNNING   MTU:65536  Metric:1            RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0            TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0            collisions:0 txqueuelen:0           RX bytes:0 (0.0 B)  TX bytes:0 (0.0 B)

 

het@het:~$ ifconfig  ///////主机的地址 docker0    Link encap:以太网  硬件地址  02:42:df:66:95:96             inet 地址:172.17.0.1  广播:0.0.0.0  掩码:255.255.0.0            inet6 地址:  fe80::42:dfff:fe66:9596/64 Scope:Link            UP BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1            接收数据包:14 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0            发送数据包:30 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0            碰撞:0 发送队列长度:0            接收字节:960 (960.0  B)  发送字节:4909  (4.9 KB) eth0       Link encap:以太网  硬件地址  08:00:27:02:6c:8b             inet 地址:10.43.86.110  广播:10.43.86.255  掩码:255.255.255.0            inet6 地址:  fe80::a00:27ff:fe02:6c8b/64 Scope:Link            UP BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1            接收数据包:207853 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0            发送数据包:30418 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0            碰撞:0 发送队列长度:1000            接收字节:14099886 (14.0  MB)  发送字节:2966220  (2.9 MB)   lo         Link encap:本地环回              inet 地址:127.0.0.1  掩码:255.0.0.0            inet6 地址: ::1/128  Scope:Host            UP LOOPBACK RUNNING   MTU:65536  跃点数:1            接收数据包:154 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0            发送数据包:154 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0            碰撞:0 发送队列长度:0            接收字节:20370 (20.3  KB)  发送字节:20370  (20.3 KB)   veth8e0ee35 Link encap:以太网   硬件地址  5a:34:bf:13:00:f5  /// 这时在主机命名空间里面出现了一个veth，即veth对的一头。另一头在容器里呢，并且被容器改名为eth0了。            inet6 地址:  fe80::5834:bfff:fe13:f5/64 Scope:Link            UP BROADCAST RUNNING MULTICAST   MTU:1500  跃点数:1            接收数据包:7 错误:0 丢弃:0  过载:0 帧数:0            发送数据包:21 错误:0 丢弃:0  过载:0 载波:0            碰撞:0 发送队列长度:0           接收字节:578  (578.0 B)  发送字节:3516 (3.5 KB)

好了现在可以看到几个结论。在bridge模式下：

  主机上面会有一个docker0的网桥

  每个容器都与docker0连通，所以同主机上的容器之间也连通

  每个主机上容器的地址都是从172.17.0.2开始往后分

 

 

1.1.1  通信

Docker会修改系统的路由规则来控制消息收发，这节就表达这一个意思。

在docker启动之后通过iptables-save查看，可以看到关于docker0的几个规则，他们使得docker0网桥可以收发消息。同一主机中的容器之间就可以通信。

 

het@het:~$ sudo iptables-save # Generated by iptables-save v1.4.21 on  Wed Jan 27 10:49:15 2016 *nat :PREROUTING ACCEPT [10631:1010228] :INPUT ACCEPT [1268:199346] :OUTPUT ACCEPT [3169:190771] :POSTROUTING ACCEPT [3170:190855] :DOCKER - [0:0] -A PREROUTING -m addrtype --dst-type  LOCAL -j DOCKER -A OUTPUT ! -d 127.0.0.0/8 -m addrtype --dst-type LOCAL -j DOCKER -A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o  docker0 -j MASQUERADE COMMIT # Completed on Wed Jan 27 10:49:15 2016 # Generated by iptables-save v1.4.21 on  Wed Jan 27 10:49:15 2016 *filter :INPUT ACCEPT [15605:2501897] :FORWARD ACCEPT [0:0] :OUTPUT ACCEPT [31535:2534237] :DOCKER - [0:0] -A FORWARD -o docker0 -j DOCKER -A FORWARD -o docker0 -m  conntrack --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT -A FORWARD -i docker0 ! -o  docker0 -j ACCEPT -A FORWARD -i docker0 -o  docker0 -j ACCEPT COMMIT # Completed on Wed  Jan 27 10:49:15 2016

 

 

如果使用-p参数将容器端口暴露出来docker run -it -p 2200:22 -d ubuntu，再通过iptables-save查看信息，会发现多出了两条规则。他们使得发送到主机地址和2200端口的消息可以送到docker0上，从而进入容器内。这样就使得容器内可以和主机外通信。

 

het@het:~$ sudo iptables-save # Generated by iptables-save v1.4.21 on  Wed Jan 27 10:56:17 2016 *nat :PREROUTING ACCEPT [40:4571] :INPUT ACCEPT [4:623] :OUTPUT ACCEPT [9:558] :POSTROUTING ACCEPT [9:558] :DOCKER - [0:0] -A PREROUTING -m addrtype --dst-type  LOCAL -j DOCKER -A OUTPUT ! -d 127.0.0.0/8 -m addrtype  --dst-type LOCAL -j DOCKER -A POSTROUTING -s 172.17.0.0/16 ! -o docker0  -j MASQUERADE -A POSTROUTING -s 172.17.0.4/32 -d 172.17.0.4/32 -p tcp -m tcp  --dport 22 -j MASQUERADE -A DOCKER ! -i docker0 -p tcp -m tcp --dport 2200 -j DNAT --to-destination 172.17.0.4:22 COMMIT # Completed on Wed Jan 27 10:56:17 2016 # Generated by iptables-save v1.4.21 on  Wed Jan 27 10:56:17 2016 *filter :INPUT ACCEPT [49:8589] :FORWARD ACCEPT [0:0] :OUTPUT ACCEPT [47:6227] :DOCKER - [0:0] -A FORWARD -o docker0 -j DOCKER -A FORWARD -o docker0 -m conntrack  --ctstate RELATED,ESTABLISHED -j ACCEPT -A FORWARD -i docker0 ! -o docker0 -j  ACCEPT -A FORWARD -i docker0 -o docker0 -j  ACCEPT -A DOCKER -d 172.17.0.4/32 ! -i docker0  -o docker0 -p tcp -m tcp --dport 22 -j ACCEPT COMMIT # Completed on Wed  Jan 27 10:56:17 2016

 

 

事实上，kubernetes的service-Pod之间的寻址也是通过挂载路由规则实现的。Flannel也是通过路由规则使得docker0上的消息可以发到flannel0，进而实现docker集群中Node结点之间的互通。因本文并不是介绍这些开源工具的原理，所以不在路由表这上面做过多展开，我们只需知道kubernetes、flannel等都是通过修改路由规则来解决他们的问题的，这样在使用他们的时候不至于总是思考“咋通的呢”，“他背后是什么东西实现的呢”。

 

1.1.2  问题

Bridge模式可以解决同主机内容器的通信，同时可以看到几个问题：

  docker容器之间想要连通需要在同一台主机上，跨主机无法通信

  容器的ip地址都docker分配的，一般都从172.17.0.2开始，不同主机上的容器地址有可能是相同的。Docker集群要解决这个问题，不能让他们相同。

 

在解决这些问题之前，我们先把另外docker的三个模式简单介绍一下。后面介绍的flannel是解决这些问题的方案之一。

1.2 Host模式

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。

当我们在容器中执行任何类似ifconfig命令查看网络环境时，看到的都是宿主机上的信息。而外界访问容器中的应用，则直接使用物理机器地址即可，就如直接跑在宿主机中一样。但是，容器的其他方面，如文件系统、进程列表等还是和宿主机隔离的。

1.3 Container模式

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。

kubernetes中一个Pod内的容器共享网络，就是在pod内有容器使用了这种网络模式。

1.4 None模式

在这种模式下，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。需要我们自己为Docker容器添加网卡、配置IP等。

2   Flannel介绍

Flannel是CoreOS团队针对Kubernetes设计的一个网络规划服务，简单来说，它的功能是让集群中的不同节点主机创建的Docker容器都具有全集群唯一的虚拟IP地址。并且连通主机节点的网络。

但在默认的Docker配置中，每个节点上的Docker服务会分别负责所在节点容器的IP分配。这样导致的一个问题是，不同节点上容器可能获得相同的内外IP地址。Flannel的设计目的就是为集群中的所有节点重新规划IP地址的使用规则，从而使得不同节点上的容器能够获得“同属一个内网”且”不重复的”IP地址，并让属于不同节点上的容器能够直接通过内网IP通信。 默认的节点间数据通信方式是UDP转发。

下图来自网络： 

简单的说flannel做了三件事情：

1.     数据从源容器中发出后，经由所在主机的docker0虚拟网卡转发到flannel0虚拟网卡，这是个P2P的虚拟网卡，flanneld服务监听在网卡的另外一端。 Flannel也是通过修改Node的路由表实现这个效果的。

2.     源主机的flanneld服务将原本的数据内容UDP封装后根据自己的路由表投递给目的节点的flanneld服务，数据到达以后被解包，然后直接进入目的节点的flannel0虚拟网卡，然后被转发到目的主机的docker0虚拟网卡，最后就像本机容器通信一样由docker0路由到达目标容器。 

3.      使每个结点上的容器分配的地址不冲突。Flannel通过Etcd分配了每个节点可用的IP地址段后，再修改Docker的启动参数。“--bip=X.X.X.X/X”这个参数，它限制了所在节点容器获得的IP范围。

1   Flannel安装和使用

1.1 安装flannel

解压文件，tar -zxvf xxx.tar

Flannel路径在：

在系统中增加两个文件：

在 /etc/init/ 增加flanneld.conf文件，内容见最下面。

在 /etc/default/ 增加flanneld文件，内容见最下面。

 

1.2 启动ETCD：

前面说到了，flannel需要通过ETCD管理每个结点分配的地址段。所以先启动etcd。当然在kubernetes集群系统里面，kubernetes也要求启动etcd。这里提一下，需要先启动flannel之后再通过kubectl启动容器，因为需要通过flannel限制docker容器的ip地址段。看完后面就理解了。

./etcd--listen-client-urls=http://0.0.0.0:4001 --listen-peer-urls=http://0.0.0.0:7001&

设置本集群的容器ip地址段。

 etcdctl rm /coreos.com/network/ --recursive

./etcdctlmk /coreos.com/network/config '{"Network":"172.200.0.0/16"}' 

设置完可以查看一下：

 

etcdctl get  /coreos.com/network/config {"Network":"172.200.0.0/16"}

 

 

Network是本集群docker容器可分配的代码段，由flannel管理。不能和机器实际物理结点ip冲突，最好搞个和谁都不冲突的，随便写。

1.3 启动flannel                         

执行：ip link set dev docker0 down  

执行：brctl delbr docker0

进入flannel/bin 路径，  

sudo./flanneld  -etcd-endpoints=http://ETCD所在机器的IP地址:4001-iface=eth0&  

 

het@het:/usr/bin$ sudo ./flanneld  -etcd-endpoints=http://10.43.86.110:4001 [sudo] password for het: I0120 21:31:00.282318 30969 main.go:275]  Installing signal handlers I0120 21:31:00.788024 30969 main.go:130]  Determining IP address of default interface I0120 21:31:00.925879 30969 main.go:188]  Using 10.43.86.110 as external interface I0120 21:31:01.025180 30969 main.go:189]  Using 10.43.86.110 as external endpoint I0120 21:31:01.331261 30969 etcd.go:204]  Picking subnet in range 172.200.1.0 ... 172.200.255.0 I0120 21:31:01.418648 30969 etcd.go:84] Subnet lease acquired:  172.200.59.0/24 I0120 21:31:02.359643 30969 udp.go:222]  Watching for new subnet leases

 

 

Flannel启动之后会创建一个文件  subnet.env ，可以打开看一下

 

het@het:/run$ vi flannel/subnet.env   FLANNEL_NETWORK=172.200.0.0/16 ////这个就是在etcd里面设置的地址段 FLANNEL_SUBNET=172.200.59.1/24  /// 这个就是为本结点分配的容器地址段 FLANNEL_MTU=1472 FLANNEL_IPMASQ=false

 

    

    下面让flannel产生的地址段生效，控制docker容器的ip地址分配。

执行：source /run/flannel/subnet.env

执行：sudo rm /var/run/docker.pid

执行：sudo docker -d --bip=${FLANNEL_SUBNET}--mtu=${FLANNEL_MTU} &

可以看到上面的操作就是把flannel启动起来，把他的地址段提出来，然后设置一下docker的启动参数。

好了，下面可以测试一下。

测试：执行docker run -it ubuntu /bin/bash

ifconfig查看容器被分配的IP。非flannel时docker的ip是172.17.0.X，如果上面的成功，此时分配的IP应该为172.200.59.x。

 

至此一个docker集群的网络就打通了，在另一个主机上也是按这样操作，注意启动flannel时要指定到同一个etcd。

 

附录 flanneld.conf

 

description "Flannel service"    author "@chenxingyu"      start on (net-device-up      and local-filesystems      and runlevel [2345])    stop on runlevel [016]      respawn    respawn limit 10 5      pre-start script        FLANNEL=/usr/bin/$UPSTART_JOB        if [ -f /etc/default/$UPSTART_JOB ]; then            . /etc/default/$UPSTART_JOB        fi        if [ -f $FLANNEL ]; then            exit 0        fi    exit 22    end script      script        # modify these in /etc/default/$UPSTART_JOB (/etc/default/docker)        FLANNEL=/usr/bin/$UPSTART_JOB        FLANNEL_OPTS=""        if [ -f /etc/default/$UPSTART_JOB ]; then            . /etc/default/$UPSTART_JOB        fi        exec "$FLANNEL" $FLANNEL_OPTS   end script