本系列文章将介绍 Docker的相关知识：
（2）Docker 镜像
（3）Docker 容器的隔离性 - 使用 Linux namespace 隔离容器的运行环境
（4）Docker 容器的隔离性 - 使用 cgroups 限制容器使用的资源
（5）Docker 网络
Docker 在早期只有单机上的网络解决方案，在 1.19 版本引入了原生的 overlay 网络解决方案，但是它的性能损耗较大，可能无法适应一些生产环境的要求。除了Docker 提供的解决方案外，还有其它一些开源的解决方案。本文首先会简介各种已有的方案，然后根据公开分享的资料，总结一下部分企业在生产环境中对容器网络的选型和考量。
1. 现有的跨主机容器网络解决方案
1.1 Flannel容器网络
Flannel 是由 CoreOS 主导的解决方案。Flannel 为每一个主机的 Docker daemon 分配一个IP段，通过 etcd 维护一个跨主机的路由表，容器之间 IP 是可以互相连通的，当两个跨主机的容器要通信的时候，会在主机上修改数据包的 header，修改目的地址和源地址,经过路由表发送到目标主机后解包。封包的方式，可以支持udp、vxlan、host-gw等，但是如果一个容器要暴露服务，还是需要映射IP到主机侧的。
1.2 Calico 网络方案
Calico 是个年轻的项目，基于BGP协议，完全通过三层路由实现。Calico 可以应用在虚机，物理机，容器环境中。在Calico运行的主机上可以看到大量由 linux 路由组成的路由表，这是calico通过自有组件动态生成和管理的。这种实现并没有使用隧道，没有NAT，导致没有性能的损耗，性能很好，从技术上来看是一种很优越的方案。这样做的好处在于，容器的IP可以直接对外部访问，可以直接分配到业务IP，而且如果网络设备支持BGP的话，可以用它实现大规模的容器网络。但BGP带给它的好处的同时也带给他的劣势，BGP协议在企业内部还很少被接受，企业网管不太愿意在跨网络的路由器上开启BGP协议。
1.3 总结
跨主机的容器网络解决方案不外乎三大类：
- 隧道方案：比如Flannel的 VxLan。特点是对底层的网络没有过高的要求，一般来说只要是三层可达就可以，只要是在一个三层可达网络里，就能构建出一个基于隧道的容器网络。问题也很明显，一个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：路由技术从三层实现跨主机容器互通，没有NAT，效率比较高，和目前的网络能够融合在一起，每一个容器都可以像虚拟机一样分配一个业务的IP。但路由网络也有问题，路由网络对现有网络设备影响比较大，路由器的路由表应该有空间限制一般是两三万条。而容器的大部分应用场景是运行微服务，数量集很大。如果几万新的容器IP冲击到路由表里，导致下层的物理设备没办法承受；而且每一个容器都分配一个业务IP，业务IP消耗会很快。
- VLAN：所有容器和物理机在同一个 VLAN 中。
1.4 一个网友的性能测试报告
来源：https://www.douban.com/note/530365327/
结论：
| 方案 | 结论 | 优势 | 劣势 |
| weave(udp) | 真是惨，生产环境就别考虑了。看了下他们的架构，觉得即便是 fast-data-path 也没多大意义。 | 无 | 就是个渣渣，概念好毛用都没 |
| calico | calico 的 2 个方案都有不错的表现，其中 ipip 的方案在 big msg size 上表现更好，但蹊跷是在 128 字节的时候表现异常，多次测试如此。bgp 方案比较稳定，CPU 消耗并没有 ipip 的大，当然带宽表现也稍微差点。不过整体上来说，无论是 bgp 还是 ipip tunnel，calico 这套 overlay sdn 的解决方案成熟度和可用度都相当不错，为云上第一选择。 | 性能衰减少，可控性高，隔离性棒 | 操作起来还是比较复杂，比如对 iptables 的依赖什么的 |
| flannel | flannel 的 2 个方案表现也凑合，其中 vxlan 方案是因为没法开 udp offload 导致性能偏低，其他的测试报告来看，一旦让网卡自行解 udp 包拿到 mac 地址什么的，性能基本上可以达到无损，同时 cpu 占用率相当漂亮。udp 方案受限于 user space 的解包，仅仅比 weave(udp) 要好一点点。好的这一点就是在实现方面更加高效。 | 部署简单，性能还行，可以兼容老版本 docker 的启动分配行为，避免 launcher | 没法实现固定 IP 的容器漂移，没法多子网隔离，对上层设计依赖度高，没有 IPAM，对 docker 启动方法有绑定 |
| docker 原生 overlay 方案 | 其实也是基于 vxlan 实现的。受限于 cloud 上不一定会开的网卡 udp offload，vxlan 方案的性能上限就是裸机的 55% 左右了。大体表现上与 flannel vxlan 方案几乎一致。 | docker 原生，性能凑合 | 对内核要求高（>3.16），对 docker daemon 有依赖需求 ( consul / etcd )，本身驱动实现还是略差点，可以看到对 cpu 利用率和带宽比同样基于 vxlan 的 flannel 要差一些，虽然有 api 但对 network 以及多子网隔离局部交叉这种需求还是比较麻烦，IPAM 就是个渣 |
综上，云上能用 BGP 就果断上 calico bgp 方案，不能用 BGP 也可以考虑 calico ipip tunnel 方案，如果是 coreos 系又能开 udp offload，flannel 是不错的选择。Docker overlay network 还有很长一段路要走，weave 就不用考虑了。
2. 若干企业生产环境中的容器网络方案
2.1 PPTV Docker网络解决方案 - 基于 linux bridge
（0）PPTV 容器云架构
（1）网络需求
- 网络组人力不足以维护一个Overlay网络，Overlay网络出问题排查复杂，会出现失控的状态。
- 隧道技术影响性能，不能满足生产环境对网络性能的要求。
- 开启bgp对现有网络改动太大，无法接受。
- 运维组同学希望能通过网络桥接的方案解决容器网络。
（2）选中的方案
最终 PPTV 选中基于docker的bridge模式，将默认的docker bridge网桥替换为 linuxbridge，把 linuxbridge 网段的 ip 加入到容器里，实现容器与传统环境应用的互通。
- 首先会在该主机上添加一个linux bridge，把主机网卡，可以是物理机的，也可以是虚拟机的，把这个网卡加入bridge里面，bridge配上网卡原本的管理IP。
- 创建一个新的docker bridge网络，指定bridge子网，并将该网络的网桥绑定到上一步创建的网桥上。
docker network create --gateway10.199.45.200 --subnet 10.199.45.0/24 -o com.docker.network.bridge.name=br-oak--aux-address "DefaultGatewayIPv4=10.199.45.1" oak-net
- 容器启动时候，指定容器网络为第二步中创建的bridge网络，同时为容器指定一个该网络子网内的IP。容器启动后网络IP默认即可与外界互通。
（3）问题及解决方案
通过网桥的方式解决容器网络有两个问题:
- 容器跨主机漂移要求宿主机在同一个VLAN 中：linux bridge 只能添加跟 slavehost 同一个vlan的IP，也就是说容器IP必须要和宿主机在同一vlan下，这在一定程度上就限制了容器跨宿主机漂移的范围。不过这个问题在PPTV 的生产环境中天然不存在，因为我们的生产环境中，每个数据中心的主机都在一个很大的子网内，基本能满足容器在整个数据中心的任意节点下漂移。
- 跨主机的 IP 地址分配需要避免地址冲突：要让容器 IP 在不同的宿主机上漂移，宿主机的 docker 网络需要使用同一个CIDR，也就是各宿主机的容器使用同一个网段。而不同宿主机的使用同一个容器网段就会涉及到IPAM的问题，因为宿主机的docker daemon只知道他本机上的容器使用了哪些IP，而这些IP在其他宿主机上有没有被使用，是不知道的。在默认的docker bridge中，因为这些ip不会直接与外部通信，所以容器使用相同IP也不会有问题，但是当容器网络通过linux bridge打通以后，所有容器都是2层互通的，也就是会出现IP冲突的问题。为了解决上边提到的问题，实现全局的IP管控，我们开发了IP池管理平台，实现对容器IP的分配管理。
- 需要更新服务自动注册、自动发现：因为原先的方案是基于NAT的模式做的，而现在实现了独立IP的功能。我们需要将现有的平台与PPTV内部的DNS做自动化对接，每当有容器创建和生成时，都会自动对容器的IP做DNS解析。
- 负载均衡：PPTV的负载均衡基本都是通过LVS + nginx实现的，但对于后台的容器应用来说，每次扩容和缩容、或者创建新的应用，负载均衡的后端配置也是需要自动更新的。
2.2 宜信的容器网络解决方案 - 基于 Calico
（1）网络需求
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让每个容器拥有自己的网络栈，特别是独立的 IP 地址
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能够进行跨服务器的容器间通讯，同时不依赖特定的网络设备
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有访问控制机制，不同应用之间互相隔离，有调用关系的能够通讯
（2）调研过程和最终的选择
调研了几个主流的网络模型：
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Docker 原生的 Bridge 模型：NAT 机制导致无法使用容器 IP 进行跨服务器通讯（后来发现自定义网桥可以解决通讯问题，但是觉得方案比较复杂）
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Docker 原生的 Host 模型：大家都使用和服务器相同的 IP，端口冲突问题很麻烦
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Weave OVS 等基于隧道的模型：由于是基于隧道的技术，在用户态进行封包解包，性能折损比较大，同时出现问题时网络抓包调试会很蛋疼
- Project Calico 是纯三层的 SDN 实现，它基于 BPG 协议和 Linux 自己的路由转发机制，不依赖特殊硬件，没有使用 NAT 或 Tunnel 等技术。能够方便的部署在物理服务器，虚拟机（如 OpenStack）或者容器环境下。同时它自带的基于 Iptables 的 ACL 管理组件非常灵活，能够满足比较复杂的安全隔离需求。
各种方案的限制：
- Docker Bridge：每个容器里面都有一个虚拟网卡，和主机上的虚拟网卡做配合，所有容器内的虚拟网卡都可以和主机通信。通过端口映射，我调用对方的容器服务的时候，不能使用该容器直接的地址，必须使用它主机的地址。因为有了这样一个转发，网络通讯的性能有所损耗。当然，还有一个问题更严重，访问你的容器先要搞清楚你的主机是什么，这样网络通讯会跳来跳去。不但麻烦，还会带来端口冲突。每创建一个容器会绑定一个端口，怎么管理好这些端口是一个很大的挑战。
- Fannel：这个方法有几个问题，第一个是要做封包的操作，这会带来网络性能损失。第二个问题是每个主机上的容器是固定的，容器的不同主机之前的迁移必然带来IP的变化。
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Weave：它的思路是共享IP而非绑定。在传输层先找到目标地址，然后把包发到对端，节点之间互相通过协议共享信息。Flannel和Weave的特点是类似的，都用的是UDP或者是VxLAN的技术。事实上使用UDP性能是很差的，VxLAN和UDP差不多，它有一个网络切隔，而且在里面可以跑二层协议。还有一种是IPIP封包，直接把一个IP包封装在一个IP包里面。以上不难看出，原生网络性能比较差，使用UDP的时候性能损失在50%以上，使用VxLAN也会有20%～30%的损耗。所以我要在内核上封包，使用硬件来解决这些问题。而且容器和容器之间出现通讯故障，调试的时候非常困难
（3）Calico 使用总结
- Calico 的应用场景主要是IDC内部，推荐部署在二层网络上，这样所有路由器之间是互通的。这种场景是大二层的解决方案，所有服务器都在里面。但大二层主要的问题是弹性伸缩的问题。频繁开关机的时候，容器启停虽然不影响交换机，但容易产生广播风暴。网络规模太大的时候，一旦出现了这样的问题，整个网络都会有故障，这个问题还没有解决的特别好。
- Calico作为一个纯二层的应用问题不大。我们可以把集群分成了很多网段，对外是三层网络的结构。集群内部分成多个自制域，比如一个机柜是一个自制域，之间通过交换路由的方式实现在三层容器到容器的互通。瓶颈在于容器的路由信息容量。所以说本质上它不是一个应对互联网规模的解决方案，但对宜信场景是够用的。
- 我们实施的时候遇到一些坑，比如容器在启动时没有网络、操作ETCD的时候BGP配置频繁加载，等等，最后我们多一一解决了。我们也发现了driver方案功能方面的弱点，现在还继续使用劫持API的方法。如果要在云上使用，如果支持BGP，直接可以用；如果不支持BGP可以用IPIP。现在英特尔的网卡支持两个协议，一个是GRE、一个是VxLAN。如果真的把它放在云上，我们可以考虑一下把VxLAN引进来，性能上的差别不是很大。
2.3 京东和魅族都是采用 OVS + VLAN 方案
根据 2016 北京容器大会 《魅族云容器化建设》 文档的一些总结：
（1）使用 OVS port 替代 OVS veth 可以带来较大的性能提升
（2）使用 SR-IOV
（3）使用 DPDK
3. 小结
上面的几个生产环境中的网络解决方案，它们的目的都是为了把容器当作虚机用，因此都有共同的需求，比如：
- 每个容器有独立的 IP，这样运维就可以象通过 ssh 连接到虚机一样连接进容器
- 需要跨服务器之间的容器通信
- 安全性，包括访问控制和隔离性
- 性能保证和优化
- 对现有物理网络改动和影响较小
- 使用和调试都比较方便
要满足以上要求，可能 OVS/Linux-bridge + VLAN 方案应用的比较多，同时看起来 Calico 方案看起来前景不错。
参考链接：
- PPTV Docker集群的网络方案选型，2016-09-02 李周 聚力研发中心
- 宜信云平台专家：使用开源Calico构建Docker多租户网络，2015-11-01 高永超 高可用架构
- 洪强宁：宜信的PaaS平台基于Calico的容器网络实践
- https://www.douban.com/note/530365327/
- 魅族云容器化建设.pdf