DockOne微信分享（六十六）： Docker网络方案初探
原文地址：http://dockone.io/article/1489
【编者的话】这次主要跟大家聊聊Docker的网络方案，首先是现有容器网络方案介绍， 接下来重点讲解Calico的特性及技术点，作为引申和对比再介绍下Contiv的特性，最后给出对比测试结果。
随着容器的火热发展，数人云越来越多的客户对容器网络特性要求也开始越来越高，比如：
- 一容器一IP；
- 多主机容器互联；
- 网络隔离；
- ACL；
- 对接SDN等等。
这次主要跟大家聊聊Docker的网络方案，首先是现有容器网络方案介绍， 接下来重点讲解Calico的特性及技术点，作为引申和对比再介绍下Contiv的特性, 最后给出对比测试结果。
现有的主要Docker网络方案
首先简单介绍下现有的容器网络方案，网上也看了好多对比，大家之前都是基于实现方式来分，隧道方案
通过隧道，或者说Overlay Networking的方式：- Weave，UDP广播，本机建立新的BR，通过PCAP互通。
- Open vSwitch（OVS），基于VxLAN和GRE协议，但是性能方面损失比较严重。
- Flannel，UDP广播，VxLan。
隧道方案在IaaS层的网络中应用也比较多，大家共识是随着节点规模的增长复杂度会提升，而且出了网络问题跟踪起来比较麻烦，大规模集群情况下这是需要考虑的一个点。
路由方案
还有另外一类方式是通过路由来实现，比较典型的代表有：- Calico，基于BGP协议的路由方案，支持很细致的ACL控制，对混合云亲和度比较高。
- Macvlan，从逻辑和Kernel层来看隔离性和性能最优的方案，基于二层隔离，所以需要二层路由器支持，大多数云服务商不支持，所以混合云上比较难以实现。
路由方案一般是从3层或者2层实现隔离和跨主机容器互通的，出了问题也很容易排查。
我觉得Docker 1.9以后再讨论容器网络方案，不仅要看实现方式，而且还要看网络模型的“站队”，比如说你到底是要用Docker原生的 “CNM”，还是CoreOS，谷歌主推的“CNI”。
Docker Libnetwork Container Network Model（CNM）阵营
- Docker Swarm overlay
- Macvlan & IP network drivers
- Calico
- Contiv（from Cisco）
Docker Libnetwork的优势就是原生，而且和Docker容器生命周期结合紧密；缺点也可以理解为是原生，被Docker“绑架”。
Container Network Interface（CNI）阵营
- Kubernetes
- Weave
- Macvlan
- Flannel
- Calico
- Contiv
- Mesos CNI
CNI的优势是兼容其他容器技术（e.g. rkt）及上层编排系统（Kuberneres & Mesos)，而且社区活跃势头迅猛，Kubernetes加上CoreOS主推；缺点是非Docker原生。
而且从上的也可以看出，有一些第三方的网络方案是“脚踏两只船”的， 我个人认为目前这个状态下也是合情理的事儿，但是长期来看是存在风险的，或者被淘汰，或者被收购。
Calico
接下来重点介绍Calico，原因是它在CNM和CNI两大阵营都扮演着比较重要的角色。即有着不俗的性能表现，提供了很好的隔离性，而且还有不错的ACL控制能力。Calico是一个纯3层的数据中心网络方案，而且无缝集成像OpenStack这种IaaS云架构，能够提供可控的VM、容器、裸机之间的IP通信。
通过将整个互联网的可扩展IP网络原则压缩到数据中心级别，Calico在每一个计算节点利用Linux Kernel实现了一个高效的vRouter来负责数据转发，而每个vRouter通过BGP协议负责把自己上运行的workload的路由信息像整个Calico网络内传播——小规模部署可以直接互联，大规模下可通过指定的BGP route reflector来完成。
这样保证最终所有的workload之间的数据流量都是通过IP路由的方式完成互联的。
Calico节点组网可以直接利用数据中心的网络结构（无论是L2或者L3），不需要额外的NAT，隧道或者Overlay Network。
如上图所示，这样保证这个方案的简单可控，而且没有封包解包，节约CPU计算资源的同时，提高了整个网络的性能。
此外，Calico基于iptables还提供了丰富而灵活的网络Policy，保证通过各个节点上的ACLs来提供Workload的多租户隔离、安全组以及其他可达性限制等功能。
Calico 架构
结合上面这张图，我们来过一遍Calico的核心组件：
- Felix，Calico Agent，跑在每台需要运行Workload的节点上，主要负责配置路由及ACLs等信息来确保Endpoint的连通状态；
- etcd，分布式键值存储，主要负责网络元数据一致性，确保Calico网络状态的准确性；
- BGP Client（BIRD）, 主要负责把Felix写入Kernel的路由信息分发到当前Calico网络，确保Workload间的通信的有效性；
- BGP Route Reflector（BIRD），大规模部署时使用，摒弃所有节点互联的 mesh 模式，通过一个或者多个BGP Route Reflector来完成集中式的路由分发；
Calico Docker Network 核心概念
从这里开始我们将“站队” CNM，通过Calico Docker libnetwork plugin的方式来体验和讨论Calico容器网络方案。先来看一下CNM模型：
从上图可以知道，CNM基于3个主要概念：
- Sandbox，包含容器网络栈的配置，包括Interface，路由表及DNS配置，对应的实现如：Linux Network Namespace；一个Sandbox可以包含多个Network；
- Endpoint，做为Sandbox接入Network的介质，对应的实现如：veth pair、TAP；一个Endpoint只能属于一个Network，也只能属于一个Sandbox；
- Network，一组可以相互通信的Endpoints；对应的实现如：Linux bridge、VLAN；Network有大量Endpoint资源组成；
除此之外，CNM还需要依赖另外两个关键的对象来完成Docker的网络管理功能，他们分别是：
- NetworkController，对外提供分配及管理网络的APIs，Docker Libnetwork支持多个活动的网络driver，NetworkController允许绑定特定的driver到指定的网络；
- Driver，网络驱动对用户而言是不直接交互的，它通过插件式的接入来提供最终网络功能的实现；Driver（包括IPAM）负责一个Network的管理，包括资源分配和回收。
有了这些关键的概念和对象，配合Docker的生命周期，通过APIs就能完成管理容器网络的功能，具体的步骤和实现细节这里不展开讨论了， 有兴趣的可以移步 Github： https://github.com/docker/libn ... gn.md 。
接下来再介绍两个Calico的概念：
- Pool，定义可用于Docker Network的IP资源范围，比如：10.0.0.0/8或者192.168.0.0/16；
- Profile，定义Docker Network Policy的集合，由tags和rules组成；每个 Profile默认拥有一个和Profile名字相同的Tag，每个Profile可以有多个Tag，以List形式保存。
Profile样例：
Demo
基于上面的架构及核心概念，我们通过一个简单的例子，直观的感受下Calico的网络管理。Calico以测试为目的集群搭建，步骤很简单，这里不展示了， 大家可以直接参考Github： https://github.com/projectcali ... ME.md 。
这里默认已经有了Calico网络的集群，IP分别是：192.168.99.102和192.168.99.103。
calicoctl status截图：
同时，已经有两个IP Pool创建好，分别是：10.0.0.0/26和192.168.0.0/16。
calicoctl pool show截图：
当前集群也已经通过使用calico driver和IPAM创建了不同的Docker Network，本次Demo只需要使用DataMan。
Docker Network ls 截图：
calicoctl profile show截图：
下面我们使用DataMan这个网络，在两台slave机器上各启动一个容器：
数人云下发容器的Marathon json file：
两台slave容器IP截图：
从上图可以看出，两个slave上的容器IP分别是：slave 10.0.0.48、slave2 192.168.115.193。
Slave容器连通性测试截图：
IP路由实现
根据上面这个Calico数据平面概念图，结合我们的例子，我们来看看Calico是如何实现跨主机互通的：
两台slave route截图：
对照两台slave的路由表，我们就知道，如果slave 1上的容器（10.0.0.48）想要发送数据到slave 2 上的容器（192.168.115.193）， 那它就会match到最后一条路由规则，将数据包转发给slave 2（192.168.99.103），那整个数据流就是：
这样，跨主机的容期间通信就建立起来了，而且整个数据流中没有NAT、隧道，不涉及封包。
安全策略ACL
Calico的ACLs Profile主要依靠iptables和ipset来完成，提供的是可针对每个容器级别的规则定义。
具体的实现我们可以通过iptables命令查看对应的chain和filter规则, 这里我们就不展开讨论了。
Contiv
http://contiv.github.ioContiv是Cisco开源出来的针对容器的基础架构，主要功能是提供基于Policy的网络和存储管理，是面向微服务的一种新基架。
Contiv能够和主流的容器编排系统整合，包括：Docker Swarm、Kubernetes、Mesos and Nomad。
如上图所示，Contiv比较“诱人”的一点就是，它的网络管理能力，既有L2（VLAN）、L3（BGP），又有 Overlay（VxLAN），而且还能对接Cisco自家的 SDN 产品 ACI。可以说有了它就可以无视底层的网络基础架构，向上层容器提供一致的虚拟网络了。
Contiv Netplugin特性
- 多租户网络混部在同一台主机上；
- 集成现有SDN方案；
- 能够和非容器环境兼容协作，不依赖物理网络具体细节；
- 即时生效的容器网络Policy/ACL/QoS规则。
网络方案性能对比测试
最后附上我们使用qperf做的简单性能测试结果，我们选取了vm-to-vm、host、calico-bgp、calico-ipip以及Swarm Overlay进行了对比。其实Contiv也测试了，但是因为Contiv的测试环境和其他方案使用的不同，不具有直接可比性，所以没有放入对比图里。 直观感受就是基于OVS的方案确实不理想，后面有时间会统一环境继续进行测试对比，包括Contiv的L3/L2方案以及引入MacVLAN、Flannel等。
测试环境：VirtualBox VMs，OS：Centos 7.2，kernel 3.10，2 vCPU，2G Mem。
带宽对比结果如下：
时延对比结果如下：
qperf 命令：
总结
随着容器的落地，网络方案必将成为“兵家”必争之地，我们 数人云 是轻量级 PaaS 容器集群管理云平台，在网络方案选择上的考虑是：- 性能，Calico和MacVLAN都有着不错的表现；Contiv L3（BGP）理论上性能也不会差；
- 普适性，Calico对底层的基本要求就是IP层可达；MacVLAN不适应于公有云；Contiv对底层的兼容性可能更好；
- 可编程性，保证整个网络管理过程能够程序化、API化，这样方便集成到产品里，不需要手动运维；Calico和Contiv都有相应的模块；
- 未来发展，这个就是我说的“站队”，Docker的CNM和CoreOS、Kubernetes的CNI，现在还看不清，Calico和Contiv都是支持的；
综上，个人推荐关注和尝试下Calico或者Contiv做为容器的网络方案，有问题或者收获，欢迎随时交流分享。
Q&A
Q：从你发的Marathon json文件来看，你们是对Mesos底层的网络做了扩展吗？容器网络通过"parameters"传递下去的吗？A：就是利用Marathon支持的Docker parameters下发，等同于docker run —net dataman xxx。Q：Felix根据配置的pool地址段配置路由，BGP Client通告路由？请问bgp的邻居关系是怎么建立的？是依靠etcd里的信息？
A：是的，Felix配置本地Kernel路由，BGP Client负责分发路由信息；BGP小规模部署采取mesh方式建立，所有节点互联n^2的联系，大规模部署推荐 部署一个或多个BGP route reflector，专门负责路由信息分发。Q：请问在DataMan这个网络中路由信息是如何更新的？我们知道BGP是可以自己发现收敛网络的，那么在网络控制层面是如何设计的？
A：随着使用DatMan这个网络的容器的添加或者删除，Felix负责更新本地路由，BGP client 负责向外分发；Calico的BGP和广域网的BGP还是有不同，它只是使用private AS num，相对自治，网络控制层面都是可以程序控制的。Q：请问Calico如何解决多租户里地址冲突的问题？
A：多租户容器混部在同一主机上时，所使用的Network最好不要用同一个Pool里的就好，这样就不可能有冲突了。Q：如果集群的容器很多，那么相应的路由表的规则也会增多，这样会不会对网络性能造成影响？
A：网络性能不会有太大影响，因为容器多流量多网络压力本来就大，倒是会增加系统负载，毕竟要配置路由规则，同步网络信息；这部分我们也很关心，但还没有具体的测试结果。Q：还有就是路由信息是存放在etcd中吗？如何保证路由表的读取性能和维护路由表的信息更新？
A：生效的路由肯定是本地的，Endpoint等信息是在etcd的；这两个问题都是Calico自身要解决的问题，这部分我们也很关心，但还没有具体的测试结果；Q：Calico下跨多个路由hop的情况，中间路由不需要学习这么多的容器路由表吗？
A：不需要，中间过程是依赖节点之间原有的网络建设的，只要两个节点互通，所有的hop都不需要知道Calico内部的容器路由信息。Q：还有一个问题，就是网络管理问题。目前从设备厂商网站看有几个支持VXLAN控制器的。这些控制器能不能与容器OVS协同？ 目前来看我们这里买国外产品还是比较困难的。
A：这个肯定是问题，我觉得作为平台方，我们能做的很少，如果要改变，肯定是要SDN设备厂商发力，就像是各家都会去为OpenStack适配设备提供driver一样，但是也需要Docker或者说容器编排系统能做到如同OpenStack那样的行业标准级。Q：Calico能和Flannel整合么，CoreOS上Kubelet里同时出现了Calico和Flannel？
A：Calico在DockerCon 2016应该是高调拥抱了Flannel，两个整合出了一个叫canal的项目，有兴趣可以去找找看。Q：我想问一下老师，你这VXLAN的标签是Calico打的对吧？
A：Calico没有VXLAN，Calico的tag会对应到 ipset，iptables 用来 match filter规则。以上内容根据2016年6月30日晚微信群分享内容整理。分享人 褚向阳，数人云研发工程师。接触开源及OpenStack比较早，曾在红帽 PnT（原 HSS）部门负责红帽内部工具链的开发及维护工作。现负责数人云的研发工作，对 Docker、Mesos有所研究，熟悉和热爱云计算、分布式、SDN 等领域相关技术。 DockOne每周都会组织定向的技术分享，欢迎感兴趣的同学加微信：liyingjiesz，进群参与，您有想听的话题或者想分享的话题都可以给我们留言。