容器网络介绍分析
本文部分内容译自《An Analysis and Empirical Study of Container Networks》
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引言
随着云计算技术发展，容器（Container）作为一种轻量级的虚拟化形式，已逐步成为云上应用交付的标准。当企业建设容器云平台时，会碰到一系列挑战，根据CNCF的调查报告指出，容器的网络和安全实现成为容器云平台建设最主要的挑战，当企业开始将重要的企业核心应用迁移至容器平台，缺乏足够的网络和安全管控将会给业务上线带来潜在的巨大威胁。
一般而言，容器网络可归为两大类：单主机网络（Single-Host）和多主机网络（Multi-Host）。单主机和多主机场景下都有多种网络模式，本篇将先对单主机容器网络模式进行介绍，之后对多主机容器网络模式进行介绍，最后进行总结。
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单主机容器网络
None Mode
这个模式下的容器只有一个loopback接口，不能连接到本机或其他网络上的容器；但它具有良好的隔离性和安全性，适合不需要网络连接的服务，如：离线数据计算、批处理、备份任务等。
Bridge Mode
桥接模式是Docker容器在单机情况下的默认模式。桥接模式会给每个新创建的容器分配独立的命名空间（Namespace）、IP地址，同时文件系统、进程等也是隔离的，另外会将对应的容器的网络接到某个指定的虚拟网桥上（如：启动Docker服务时默认创建的docker0上）。单独的桥接模式不能把容器连接到外部网络，必须依赖其他网络服务，如NAT、Overlay等。
Container Mode
容器模式涉及多个容器，它们共享同一个网络命名空间。在一组容器中，一个容器被指定为代理、并配置为桥接模式，其他组内的容器通过代理的以太(veth)接口连接到外网。即所有组内的容器共享同一个网络，整个组只指定一个IP地址，组内的单个容器通过组IP加端口号来辨认。
容器模式被许多容器管理框架采用，例如：Kubernetes中的一个Pod包含一组容器，同一Pod里的容器共享相同的网络空间及IP地址，相互之间通过组IP加端口号来进行访问。
Host Mode
Host模式网络允许同一主机上的所有容器共享主机操作系统（OS）的Namespace，即该模式下同一主机上的所有容器彼此可见且容器间通过进程通信，正因如此，Host模式的安全级别在四种模式中最低。
图1: 单主机四种容器网络模式总结
图1对单主机上四种容器网络模式的特点进行总结，从上至下，网络逐渐变得高效，但安全隔离级别逐渐降低。
03
多主机容器网络
Host Mode
正如单主机模式下Host模式，多主机Host模式下的容器也共享主机的网络栈和Namespace。因此，不同主机上的两个Host模式的容器可以很容易的进行通信，就像两个主机上使用IP进行通信的两个进程一样。尽管Host模式的网络配置较为简单，但只有两个Host模式的容器能够相互通信，如：一个桥接模式的容器可以使用目的主机IP发包给另一个不同主机上的Host模式的容器，但反之不行，且Host模式对同个主机上的容器不进行安全隔离。
Network Address Translation
(NAT)
NAT模式是Docker 1.9之前最常用的多主机容器网络技术。NAT技术将容器的的私有IP地址到它的端口号之间的关系映射到NAT表中，通信时必须使用主机的公有IP地址加端口号来确定一个特定容器。
NAT不需要复杂的配置和第三方软件支持，它是一个实现不同主机上容器连通性的简单方法。此外，由于NAT允许容器使用期宿主机的IP地址，所以在大规模容器部署时不需要大量的公有IP地址。在使用NAT模式时，需要对每个发送和接收的包进行地址转换，因此会有些开销和性能下降；另外，容器的公有IP地址和他们的宿主机IP绑定，导致很难实现动态网络。
Overlay Network
Overlay网络是指在不改变现有网络基础设施的前提下，通过某种约定通信协议，把二层报文封装在IP报文之上形成新的数据格式，以此建立节点之间定制化的连接。
比起NAT，Overlay网络提供了隔离的地址空间，并允许容器使用私有的地址进行通信。但Overlay网络也有如下两个缺点：1、封包和解包较为耗时，且延长了网络栈；2、封包时改变了原始包的大小，当底层网络限制了最大传输单元（Maximum transmission unit，MTU）时，封包时的空间开销可能会导致要发送的包的数量增加。
在Docker提供Overlay原生支持前有很多第三方解决方案被提出来，如Weave、Flannel、Calico(IPIP)等；Docker在1.9版本之后提供原生Overlay网络，且是多主机网络的默认方案；
Routing
以支持边界路由协议（Border Gateway Protocol，BGP）的Calico为例，它在主机的内核中实现了一个虚拟路由器，使用BGP来进行包的路由。作为网络层的解决方案，Calico相比起NAT和Overlay开销并不大，但也有一些限制，如：Calico只支持部分网络协议，如TCP、UDP、ICMP，适用性有限；其次，在短生命周期的容器组成的动态网络中，更新BGP中的路由信息也是开销很大的。
图2对可用的多主机容器网络进行总结，包括各方式支持的协议、是否有KV(Key Value)存储、安全性等。
图2：多主机容器网络总结
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总结
为容器化应用选择合适的网络是一件很有挑战的事情，需要考虑到很多因素。如果用户在单机上运行容器，需要在性能、安全、隔离之间进行权衡，若安全和隔离是最重要的，桥接模式就是最好的选择；如果容器需要频繁和其他容器相互通信，且一些容器需要访问其他容器的命名空间来监控管理，容器模式是最好的选择。如果用户在多主机上构建容器网络，从性能的角度考虑，Calico（BGP）是最好的选择。
此外，还有很多因素影响网络性能，如：网络启动时间、CPU开销、网络包的大小等，用户在选择网络模式时应综合这些因素进行选择。
文章作者 | 中国电信股份有限公司研究院 任宏丹