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什么是Docker网络

【编者的话】本文是《Docker网络及服务发现》一书的一个章节，介绍了搭建Docker单主机网络的基础内容。关于Docker网络的更多内容，包括多主机的网络，请参考该书的其他章节。

当你开始大规模使用Docker时，你会发现需要了解很多关于网络的知识。作为Docker网络的一篇介绍，我们将从头开始，然后开始讨论如何管理容器间的连接。Docker容器需要运行在一台宿主机上，可以是一台物理机（on-premise数据中心中的裸金属服务器），也可以是on-prem或云上的一台虚拟机。就像下图中描述的那样，宿主机上运行了Docker的daemon进程和客户端，一方面可以与Docker registry交互，另一方面可以启动、关闭和审查容器。

宿主机和容器的关系是 1：N ，这以为这一台宿主机上可以运行多个容器。例如，从Facebook的报告来看，取决于机器的能力，每台宿主机上平均可以运行10到40个容器。另一个数据是：在Mesosphere，我们发现，在裸金属服务器上的各种负载测试中，每台宿主机上不超过250个容器是可能的。

无论你是在单主机上进行部署，还是在集群上部署，你总得和网络打交道：

对于大多数单主机部署来说，问题归结于是使用共享卷进行数据交换，还是使用网络（基于HTTP或者其他的）进行数据交换。尽管Docker数据卷很容易使用，它也引入了紧耦合，这意味着很难将单主机部署转化为多主机部署。自然地，共享卷的优势是速度。
在多主机部署中，你需要考虑两个方面：单主机上的容器之间如何通信和多主机之间的通信路径是怎样的。性能考量和安全方面都有可能影响你的设计决定。多主机部署通常是很有必要的，原因是单主机的能力有限（请看前面关于宿主机上容器的平均数量和最大数量的讨论），也可能是因为需要部署分布式系统，例如Apache Spark、HDFS和Cassandra。

分布式系统和数据本地化（Distributed Systems and Data Locality）

使用分布式系统（计算或存储）的基本想法是想从并行处理中获利，通常伴随着数据本地化。数据本地化，我指的是将代码转移到数据所在地的原则，而不是传统的、其他的方式。考虑下以下的场景：如果你的数据集是TB级的，而代码是MB级的，那么在集群中移动代码比传输TB级数据更高效。除了可以并行处理数据之外，分布式系统还可以提供容错性，因为系统中的一部分可以相对独立地工作。

简单地说，Docker网络是原生的容器SDN解决方案。总而言之，Docker网络有四种模式：桥模式，主机模式，容器模式和无网络模式。我们会详细地讨论单主机上的各种网络模式，在本章的最后，我们还会讨论一些常规主题，比如安全。

bridge模式网络

在该模式（见下图）中，Docker守护进程创建了一个虚拟以太网桥 docker0 ，附加在其上的任何网卡之间都能自动转发数据包。默认情况下，守护进程会创建一对对等接口，将其中一个接口设置为容器的eth0接口，另一个接口放置在宿主机的命名空间中，从而将宿主机上的所有容器都连接到这个内部网络上。同时，守护进程还会从网桥的私有地址空间中分配一个IP地址和子网给该容器。

$ docker run -d -P --net=bridge nginx:1.9.1
 $ docker ps
 CONTAINER ID   IMAGE                  COMMAND    CREATED
 STATUS         PORTS                  NAMES
 17d447b7425d   nginx:1.9.1            nginx -g   19 seconds ago
 Up 18 seconds  0.0.0.0:49153->443/tcp,
                           0.0.0.0:49154->80/tcp  trusting_feynman

因为bridge模式是Docker的默认设置，所以你也可以使用

docker run -d -P    nginx:1.9.1

。如果你没有使用-P（发布该容器暴露的所有端口）或者-p

host_port:container_port（发布某个特定端口），IP数据包就不能从宿主机之外路由到容器中。

host模式网络

该模式将禁用Docker容器的网络隔离。因为容器共享了宿主机的网络命名空间，直接暴露在公共网络中。因此，你需要通过端口映射（port mapping）来进行协调。

$ docker run -d --net=host ubuntu:14.04 tail -f /dev/null
 $ ip addr | grep -A 2 eth0:
 2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 9001 qdisc mq state UP group default qlen 1000
 link/ether 06:58:2b:07:d5:f3 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
 inet **10.0.7.197**/22 brd 10.0.7.255 scope global dynamic eth0
 
 $ docker ps
 CONTAINER ID  IMAGE         COMMAND  CREATED
 STATUS        PORTS         NAMES
 b44d7d5d3903  ubuntu:14.04  tail -f  2 seconds ago
 Up 2 seconds                jovial_blackwell
 $ docker exec -it b44d7d5d3903 ip addr
 2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 9001 qdisc mq state UP group default qlen 1000
 link/ether 06:58:2b:07:d5:f3 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
 inet **10.0.7.197**/22 brd 10.0.7.255 scope global dynamic eth0

我们可以从上例中看到：容器和宿主机具有相同的IP地址10.0.7.197。

在下图中，我们可以看到：当使用host模式网络时，容器实际上继承了宿主机的IP地址。该模式比bridge模式更快（因为没有路由开销），但是它将容器直接暴露在公共网络中，是有安全隐患的。

container模式网络

该模式会重用另一个容器的网络命名空间。通常来说，当你想要自定义网络栈时，该模式是很有用的。实际上，该模式也是Kubernetes使用的网络模式，你可以在这里了解更多内容。

$ docker run -d -P --net=bridge nginx:1.9.1
 $ docker ps
 CONTAINER ID  IMAGE        COMMAND   CREATED         STATUS
 PORTS                      NAMES
 eb19088be8a0  nginx:1.9.1  nginx -g  3 minutes ago   Up 3 minutes
 0.0.0.0:32769->80/tcp,
 0.0.0.0:32768->443/tcp     admiring_engelbart
 $ docker exec -it admiring_engelbart ip addr
 8: eth0@if9: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 9001 qdisc noqueue state UP group default
 link/ether 02:42:ac:11:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
 inet **172.17.0.3**/16 scope global eth0
 
 $ docker run -it --net=container:admiring_engelbart ubuntu:14.04 ip addr
 ...
 8: eth0@if9: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 9001 qdisc noqueue state UP group default
 link/ether 02:42:ac:11:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
 inet **172.17.0.3**/16 scope global eth0

结果（上面的例子）显示：第二个容器使用了 --net=container 参数，因此和第一个容器 admiring_engelbart 具有相同的IP地址 172.17.0.3 。

none模式网络

该模式将容器放置在它自己的网络栈中，但是并不进行任何配置。实际上，该模式关闭了容器的网络功能，在以下两种情况下是有用的：容器并不需要网络（例如只需要写磁盘卷的批处理任务）；你希望自定义网络，在第3章中有很多选项使用了该模式。

$ docker run -d -P --net=none nginx:1.9.1
 $ docker ps
 CONTAINER ID  IMAGE          COMMAND   CREATED
 STATUS        PORTS          NAMES
 d8c26d68037c  nginx:1.9.1    nginx -g  2 minutes ago
 Up 2 minutes                 grave_perlman
 $  docker inspect d8c26d68037c | grep IPAddress
 "IPAddress": "",
 "SecondaryIPAddresses": null,

在上面的例子中可以看到，恰如我们所料，网络没有任何配置。

你可以在Docker官方文档中读到更多关于Docker网络的配置。

本书中的所有Docker命令都是在CoreOS环境中执行的，Docker客户端和服务端的版本都是1.7.1。