容器网络那些事儿

编者注:

本文根据7月31日有容云《Docker Live时代线下沙龙-北京站》嘉宾分享内容整理而成,分享嘉宾杜东明,有容云高级技术顾问,十年IT经验,IT行业的全栈工程师。涉足领域包括存储网络、备份/容灾、服务器/终端虚拟化、Docker等。拥有丰富的一线客户经验,曾帮助工行、建行、光大、国寿、泰康等诸多金融客户设计其虚拟化基础架。

我相信,真正拿容器工作或者是去运维一个容器环境,真正在容器上面做生产的时候大家都会遇到的一个话题就是容器网络,所以我今天给大家分享下这个话题,有不同意见的地方欢迎大家共同交流。

为什么关注容器网络

从容器诞生开始,存储和网络这两个话题就一直为大家津津乐道。我们今天这个环境下讲网络这个问题,其实是因为容器对网络的需求,和传统物理、虚拟环境对网络环境需求非常不一样。虚拟做了很多工作,比如说虚拟路由器虚拟交换机,现在发现容器环境不是那么好就能够适配。很重要原因: 虚拟时代几百个虚拟机可能就不少了,大不了就几千个;但容器时代谈微服务,一个应用一个庞大的生态系统,那么多服务,每个服务都有那么多容器实力,他们在一起构成这么多生态系统之后,他们的力度要比传统虚拟机小得多,他们的离散度也比传统的虚拟机要明显高很多,所以会对网络有着更高的要求。

容器技术发展到今天,容器网络一直发展比较滞后,不知道大家有没有这样的感觉?以前很早的时候就对存储Docker就发布了Volume Plugin这样一个接口。但是网络层面一直没有一个标准,直到近期才出现了一个叫CNM的规范。所以说它的网络一直发展比较滞后。这种情况给大量创业公司或者开源组织提供了一个空间,他们开发了各种各样的网络实现,并且没有出现一家独大的状态,而是有了很多复杂的解决方案,让客户无从挑选。

有些客户感觉SDN很好,把SDN概念引进到容器领域,结果把个问题变得更复杂,所以我们看到大量客户对容器网络选型非常挠头。不仅是客户,方案解决提供商每天也在思考能提供什么样的容器网络方案满足客户的需求。所以,我们今天把网络重点和大家梳理一下。

容器网络发展简史

容器网络发展经历了三个阶段。第一个阶段是“石器时代”,最早的容器网络模型,就是主机内部的网络,想要把服务暴露出去需要做端口映射,非常原始古老。例如一个主机内有很多Apache容器,每一个Apache要往外抛80的端口,那我怎么办?我需要针对第一个容器和主机80端口做映射,第二个和主机81端口做映射,依此类推,到最后发现非常混乱,没办法管理。这个东西石器时代的网络模型,基本上没办法被企业采用。

后来进化到下一个阶段,我们称之为豪杰辈出的解决方案,非常优秀的比如Rancher基于IPSec的网络实现,比如Flannel基于三层路由的网络实现,包括我们国内也有一些开源项目都在做,后续展开详谈。

时至今日,容器网络出现了双雄会的格局。一个以Docker领导的和开发的CNM架构,另一个以Google、KubernetesCoreOS主导开发的CNI架构。两家各立山头,剩下群雄们自己选择,后面我会具体来谈一下这两个方案。

技术术语

 

在开始下面话题之前我先做几个技术术语解释:

 IPAM:IP地址管理;这个IP地址管理并不是容器所特有的,传统的网络比如说DHCP其实也是一种IPAM,到了容器时代我们谈IPAM,主流的两种方法: 基于CIDR的IP地址段分配地或者精确为每一个容器分配IP。但总之一旦形成一个容器主机集群之后,上面的容器都要给它分配一个全局唯一的IP地址,这就涉及到IPAM的话题。

Overlay:在现有二层或三层网络之上再构建起来一个独立的网络,这个网络通常会有自己独立的IP地址空间、交换或者路由的实现。

IPSesc:一个点对点的一个加密通信协议,一般会用到Ovrelay网络的数据通道里。

vxLAN:由VMware、Cisco、RedHat等联合提出的这么一个解决方案,这个解决方案最主要是解决VLAN支持虚拟网络数量(4096)过少的问题。因为在公有云上每一个租户都有不同的VPC,4096明显不够用。就有了vxLAN,它可以支持1600万个虚拟网络,基本上公有云是够用的。

网桥Bridge: 连接两个对等网络之间的网络设备,但在今天的语境里指的是Linux Bridge,就是大名鼎鼎的Docker0这个网桥。

BGP: 主干网自治网络的路由协议,今天有了互联网,互联网由很多小的自治网络构成的,自治网络之间的三层路由是由BGP实现的。

SDN、Openflow: 软件定义网络里面的一个术语,比如说我们经常听到的流表、控制平面,或者转发平面都是Openflow里的术语。

石器时代下容器网络模

这是石器时代网络模型,我简单说一下。它是Docker1.9之前的容器网络,实现方式是只针对单台主机进行IPAM管理,所有主机上的容器都会连接到主机内部的一个Linux Bridge,叫Docker0,主机的IP它默认会分配172.17网段中的一个IP,因为有Docker0,所以在一个主机上的容器可以实现互联互通。但是因为IP分配的范围是基于单主机的,所以你会发现在其他主机上,也会出现完全相同的IP地址。很明显,这两个地址肯定没办法直接通信。为了解决这个问题,在石器时代我们会用端口映射,实际上就是NAT的方法。比如说我有一个应用,它有Web和Mysql,分别在不同的主机上,Web需要去访问Mysql,我们会把这个Mysql的3306端口映射到主机上的3306这个端口,然后这个服务实际上是去访问主机IP 10.10.10.3 的3306端口,这是过去的石器时代的一个做法。

总结一下它的典型技术特征:基于单主机的IPAM;主机之内容器通讯实际上通过一个docker0的Linux Bridge;如果服务想要暴露到外部的话需要做NAT,会导致端口争抢非常严重;当然它有一个好处,对大网IP消耗比较少。这是石器时代。

豪杰辈出

Rancher网络

下面进入到豪杰辈出的年代,第一个想讲的是Rancher。在石器蛮荒那个年代,Rancher网络解决方案非常让人眼前一亮。它需要解决两个大的问题:第一分配一个全局唯一的IP地址,第二要实现容器跨主机的通信。首先从第一点它有一个集中数据库,通过数据库协调,为资源池中的每一个容器分配一个独立的IP地址。第二如何实现容器跨主机的通信,是在每一个主机内部会放一个Agent容器,所有容器都会连接到本机的Agent容器上,这个Agent其实就是一个转发器,由它负责将数据包封装并路由到指定的其他主机。比如说172.17.0.3访问到这个172.17.0.4的时候,首先172.17.0.3容器会把数据包丢到本机的Agent,Agent根据内部的元数据,得知172.17.0.4在其他主机上,那么Agent会把数据包封装为IPSec包,通过IPSec发送到对端主机。当对端主机收到IPSec包后,执行解包操作,再发给本机上对应的容器。这个方法实现的很干净很简单,但它有一个大的问题,就是IPSec的通信问题,它很重,效率比较低。依据Rancher的说法,这个问题貌似也没有想象中那么夸张,在Intel的CPU里有一种协处理器,能够处理AES-NI指令,Linux  Kernel的IPSec实现能够使用AES-NI指令来加速IPSec效率,基于此据说IPSec协议可以和VXLAN相媲美。

Rancher网络的特点: 它是全局的IPAM,保证容器IP地址全局唯一;主机通信使用IPSEC;主机端口争抢不会太严重,应用通信不会占用主机端口,但是如果你的服务想要最终暴露出来,你还是要映射到主机上;这就是Rancher,它非常简单非常干净,就像Rancher自身一样开箱即用。

Flannel

再来看一个网络实现叫Flannel,Flannel是由CoreOS主导并被使用到Kuberenates里。Flannel同样需要解决IP地址分配和跨主机通信两个问题。地址分配的问题,它使用的是CIDR的方式——个人认为并非很聪明的方法——就是为每个主机分配一个地址段,比如24位掩码的一个地址段,那就说明这个主机上可以支持254个容器,每一个主机都会分一个子网IP地址段,这是它解决IP地址分配的问题,这个地址段一旦分配给Docker Deamon之后,Docker Demon可以从中分配IP给容器。第二个问题如何实现跨主机的包交换,它采用的做法是通过三层路由:和传统的做法一样,所有的容器会被连接到Docker0,在Docker0和主机网卡之间被插入一个Flannel0的虚拟设备,这个虚拟设备为Flannel带来很大的灵活性——可以实现不同的封包、隧道协议,比如VXLAN,通过Flannel0设备将数据包封装为VxLan的UDP包。也就是说Flannel0是可以做协议适配的,这是Flonnel的特点,它的一个优势所在。

我再总结一下,Flannel它的每一个主机分配一个地址段,就是分配一个CIDR,然后主机之间可能会有多种封包方式,可以支持udp、vxlan、host-gw等,容器之间IP是可以互相连通的。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。另外,Flannel基于CIDR的设计比较愚蠢,会造成大量的IP地址浪费。

Calico

下一个看Calico,它是比较年轻的项目,但是野心很大,可以用到虚拟机、物理机和容器环境中。Calico使用的协议是可能一般人都没有听说过的BGP协议,而且它是完全基于三层路由的,它没有二层的概念。所以你在Calico内部能看到大量的由Linux路由构造的路由表,路由表的变更是通过Calico自有的组件管理的。这种做法的好处在于,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。同时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。所以我认为这个Calico从技术角度来讲是非常卓越的。但BGP带给它的好处的同时也带给他的劣势,就是BGP协议在企业内部很少被接受,企业网管不太愿意在跨网络的路由器上开启BGP协议——它的规模优势发挥不出来。这是Calico项目。

Daoli.net

第四个叫道理云,创始人毛文波博士,毛博士原来跟我是EMC的同事,他主要是专注于虚拟化的安全领域。道理云的容器网络,可以说从技术领域来说是非常非常先进的。他认为既然现在要设计一个新的网络为什么不把SDN跟docker网络结合在一起?所以你可以看它的上面的架构,最上层就是SDN的控制平面,下面是一堆的OpenFlow交换机。道理云SDN的理念的确比较先进,核心问题是企业接受的难度比较高。试想,SDN尚未被普及到企业里,SDN容器网络的推广要更加困难一些,就是在落地层面有局限性。我们认为这个网络更多的代表未来,也许有一天容器网络发展到比较成熟的时候可能就是这样子,但是目前阶段还是有点阳春白雪。

小结

总结一下,我们会发现容器网络技术不外乎出自两个技术流派,第一个隧道技术,比如说Rancher的容器网络、Flannel的VXLAN模式。这个技术的特点是对底层的网络没有过高的要求,通常来说唯一的要求就是就是三层可达——你的主机只要是在一个三层可达网络里,就能给你构建出一个基于隧道的容器网络,对网络要求比较低。但问题在于什么呢?一旦构建了Overlay的网络,目前企业已经构建的网络监控的价值,以及企业网络部门的管理职能就会降低很多,因为传统的网络设备根本看不到你在隧道里面跑了什么样的数据,也就无从监控和管理。同时我们知道所有的Oevrlay网络基本核心的实现点都在主机内部,而网络管的又不是主机,他们管的是下层网络,结果现在必须管一部分主机里的虚拟设备,而传统主机的管理应该是系统部,那么就会出现交叉管理,网络部和系统部出现权责不分的情况,导致很多客户不愿意使用隧道技术。

第二种技术是路由技术,路由技术好处在于很干净,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。大家可以用最自然最容易接受的方式使用容器,好像你就分配了一个新的虚拟机一样。但路由网络也有两个问题,一旦使用了路由网络对现有网络设备冲击非常大,现在做网络同志应该知道,路由器的路由表应该有空间限制——两三万条。如果一下子几万新的容器IP冲击到路由表里,导致下层的物理设备没办法承受;同时每一个容器都分配一个业务IP,你的业务IP很快消耗光了。一般大型的企业里IP分配是很有原则的,可能分配给容器平台项目的IP也就是几千个,或者一个段,没有办法让你在每一个容器里都分配一个IP。这就是路由和隧道技术,我们没有看到一个完美的技术,每一个都有优势也都有劣势。

客户声音

 

下面我们看客户怎么说,我们在华南区的一个互联网银行,他就非常抵触Overlay网络,说现在网络技术部门能力不足以维护一个Overlay网络,传统网络出问题知道怎么修,但Overlay网络出问题不知道怎么修,会出现失控的状态。我们在北区一个全国性股份制银行,对隧道技术比较反感。他们目前已经部署了SDN,不希望在SDN里再打洞,因为一旦构建隧道运维部门就变成了瞎子,以前能管的事现在就管不了了。而华东一个金融机构不愿意接受基于IPSec的隧道技术。他们的说法是说IPCEC这种性能会比较弱一些,所以我们可以看到目前的大部分的客户它还是倾向于使用这种传统的路由技术的网络。

双雄会格局

容器网络发展的第三阶段——双雄会的格局。双雄会其实指的就是Docker的CNM和Google、CoreOS、Kuberenates主导的CNI。首先明确一点,CNM和CNI并不是网络实现,他们是网络规范和网络体系,从研发的角度他们就是一堆接口,你底层是用Flannel也好、用Calico也好,他们并不关心,CNM和CNI关心的是网络管理的问题。

CNM是Docker自带的,可以通过Docker命令直接管理的网络模型。而CNI并不是Docker原生的,它是为容器技术设计的通用型网络接口。CNI接口从上往下调用是没有问题的,但从下往上支持不太可能,或者实现会非常Tricky,所以这个CNI很难没有办法在docker层面主动去激活。这两个模型全都是插件化的,你都可以去以插件的形式去插入具体的网络实现。这两个插件,CNM要更加家长式一些,灵活度没有那么高。而CNI由于要通用,灵活性相对就比较高了。这是这两个规范的基础特征。

他们搞了这两个标准之后,所有都要面临一个问题:我到底要支持哪个标准?现在各家支持的情况是这样的:Docker Swarm首先是站到了CNM这边,都是Docker公司的。有容云目前支持的是CNM,这样的选择并非技术上的原因,而是因为我们现在的平台也只支持Docker,我们尚没有支持Rocket,如果有一天支持除了Docker之外的容器技术,那么我们可能也会同时支持CNI。 Kubernetes当然支持CNI了。其他的如Calico、Weave、Mesos等属于两边都支持的情况。

有容云对于网络的支持

前面讲了具体的技术,占用大家几分钟时间讲一讲有容云对于网络的支持。因为有容云是脱胎于Rancher,所以我们继承了了Rancher所有的优点,Rancher基于IPSec的网络我们也有。但是从我们的角度,我们支持的网络是需要最大程度的适配我们客户的需求的。如果客户说就用简单的IPSec Overlay网络,我们有部分客户想用的VXLan网络,也支持了Libnetwork Overlay,其实本质就是VXLAN。同时,如果客户想像虚拟机一样去分配业务IP给容器,我们也有基于MAC VLAN的网络实现。

MACVLAN

简单介绍一下MACVLAN,MAC VLAN的核心技术是可以把物理网卡虚拟出来多块虚拟网卡,每个虚拟网卡都有独立的Mac地址,从外界看来,就像是把网线分成两股,分别接到了不同的主机上一样。基于MAC VLAN的这样的话我就可以把这个Mac地址分配给每一个容器使用,也就是说未来每一个容器都会有一个独立的Mac地址和业务网IP,可以像一台独立的虚拟机来工作。

IPvLan L2

另一个值得给大家介绍就是IPvLan L2 Mode,从现象上看基本上和macvlan的行为是一致的,除了每个容器没有独立的mac地址。在单独主机上所有的容器mac地址是相同的,这是和macvlan唯一的区别,我们认为这个方式也很有前途。这两种的方式最后都能达到一个效果,就是容器像虚拟机一样可以被分配一个业务网IP,并且能够从外部直接访问到这个业务网的IP,直接访问到这个容器。

好,我今天关于网络介绍就到此,谢谢。

分享到:更多 ()