Docker作为目前最火的轻量级容器技术，有很多令人称道的功能，如Docker的镜像管理。然而，Docker同样有着很多不完善的地方，网络方面就是Docker比较薄弱的部分。因此，我们有必要深入了解Docker的网络知识，以满足更高的网络需求。本文首先介绍了Docker自身的4种网络工作方式，然后通过3个样例 将Docker容器配置到本地网络中、单主机Docker容器的VLAN划分、多主机Docker容器的VLAN划分，演示了如何使用pipework帮助我们进行复杂的网络设置，以及pipework是如何工作的。
众所周知，Docker使用了Linux的Namespaces技术来进行资源隔离，如PID Namespace隔离进程，Mount Namespace隔离文件系统，Network Namespace隔离网络等。一个Network Namespace提供了一份的网络，包括网卡、由、Iptable规则等都与其他的Network Namespace隔离。一个Docker容器一般会分配一个的Network Namespace。但如果启动容器的时候使用host模式，那么这个容器将不会获得一个的Network Namespace，而是和宿主机共用一个Network Namespace。容器将不会虚拟出自己的网卡，配置自己的IP等，而是使用宿主机的IP和端口。
例如，我们在10.10.101.105/24的机器上用host模式启动一个含有web应用的Docker容器，tcp80端口。当我们在容器中执行任何类似ifconfig命令查看网络时，看到的都是宿主机上的信息。而访问容器中的应用，则直接使用10.10.101.105:80即可，不用任何NAT转换，就如直接跑在宿主机中一样。但是，容器的其他方面，如文件系统、进程列表等还是和宿主机隔离的。
在理解了host模式后，这个模式也就好理解了。这个模式指定新创建的容器和已经存在的一个容器共享一个Network Namespace，而不是和宿主机共享。新创建的容器不会创建自己的网卡，配置自己的IP，而是和一个指定的容器共享IP、端口范围等。同样，两个容器除了网络方面，其他的如文件系统、进程列表等还是隔离的。两个容器的进程可以通过lo网卡设备通信。
这个模式和前两个不同。在这种模式下，Docker容器拥有自己的Network Namespace，但是，并不为Docker容器进行任何网络配置。也就是说，这个Docker容器没有网卡、IP、由等信息。需要我们自己为Docker容器添加网卡、配置IP等。
当Docker server启动时，会在主机上创建一个名为docker0的虚拟网桥，此主机上启动的Docker容器会连接到这个虚拟网桥上。虚拟网桥的工作方式和物理交换机类似，这样主机上的所有容器就通过交换机连在了一个二层网络中。接下来就要为容器分配IP了，Docker会从RFC1918所定义的私有IP网段中，选择一个和宿主机不同的IP地址和子网分配给docker0，连接到docker0的容器就从这个子网中选择一个未占用的IP使用。如一般Docker会使用172.17.0.0/16这个网段，并将172.17.42.1/16分配给docker0网桥（在主机上使用ifconfig命令是可以看到docker0的，可以认为它是网桥的管理接口，在宿主机上作为一块虚拟网卡使用）。单机下的网络拓扑如下，主机地址为10.10.101.105/24。
Docker完成以上网络配置的过程大致是这样的：
Docker将veth pair设备的一端放在新创建的容器中，并命名为eth0。另一端放在主机中，以veth65f9这样类似的名字命名，并将这个网络设备加入到docker0网桥中，可以通过brctl show命令查看。
这条规则会将源地址为172.17.0.0/16的包（也就是从Docker容器产生的包），并且不是从docker0网卡发出的，进行源地址转换，转换成主机网卡的地址。这么说可能不太好理解，举一个例子说明一下。假设主机有一块网卡为eth0，IP地址为10.10.101.105/24，网关为10.10.101.254。从主机上一个IP为172.17.0.1/16的容器中ping百度（180.76.3.151）。IP包首先从容器发往自己的默认网关docker0，包到达docker0后，也就到达了主机上。然后会查询主机的由表，发现包应该从主机的eth0发往主机的网关10.10.105.254/24。接着包会转发给eth0，并从eth0发出去（主机的ip_forward转发应该已经打开）。这时候，的Iptable规则就会起作用，对包做SNAT转换，将源地址换为eth0的地址。这样，在看来，这个包就是从10.10.101.105上发出来的，Docker容器对外是不可见的。
那么，外面的机器是如何访问Docker容器的服务呢？我们首先用下面命令创建一个含有web应用的容器，将容器的80端口映射到主机的80端口。
docker run -d --name web -p 80:80 fmzhen/web
此条规则就是对主机eth0收到的目的端口为80的tcp流量进行DNAT转换，将流量发往172.17.0.5:80，也就是我们创建的Docker容器。所以，只需访问10.10.101.105:80就可以访问到容器中得服务。
除此之外，我们还可以自定义Docker使用的IP地址、DNS等信息，甚至使用自己定义的网桥，但是其工作方式还是一样的。
Docker自身的网络功能比较简单，不能满足很多复杂的应用场景。因此，有很多开源项目用来改善Docker的网络功能，如pipework、weave、flannel等。这里，就先介绍一下pipework的使用和工作原理。
pipework是由Docker的工程师Jrme Petazzoni开发的一个Docker网络配置工具，由200多行shell实现，方便易用。下面用三个场景来演示pipework的使用和工作原理。
使用docker inspect找到容器在主机中的PID，然后通过PID将容器的网络命名空间链接到/var/run/netns/目录下。这么做的目的是，方便在主机上使用ip netns命令配置容器的网络。因为，在Docker容器中，我们没有权限配置网络。
然后就是配置新网卡的IP。若在IP地址的后面加上网关地址，那么pipework会重新配置默认由。这样容器通往外网的流量会经由新配置的eth1出去，而不是通过eth0和docker0。(若想完全抛弃自带的网络设置，在启动容器的时候可以指定--net=none)
以上就是pipework配置Docker网络的过程，这和Docker的bridge模式有着相似的步骤。事实上，Docker在实现上也采用了相同的底层机制。
通过源代码，可以看出，pipework通过封装Linux上的ip、brctl等命令，简化了在复杂场景下对容器连接的操作命令，为我们配置复杂的网络拓扑提供了一个强有力的工具。当然，如果想了解底层的操作，我们也可以直接使用这些Linux命令来完成工作，甚至可以根据自己的需求，添加额外的功能。
完成的步骤后，主机A上的test1和主机B上的test3容器就划分到了一个VLAN中，并且与主机A上的test2和主机B上的test4隔离（主机eth0网卡需要设置为混杂模式，连接主机的交换机端口应设置为trunk模式，即允许VLAN 100和VLAN 200的包通过）。拓扑图如下所示（省去了Docker默认的eth0网卡和主机上的docker0网桥）：
除此之外，pipework还支持使用macvlan设备、设置网卡MAC地址等功能。不过，pipework有一个缺陷，就是配置的容器在关掉重启后，之前的设置会丢失。
通过的介绍，我相信大家对Docker的网络已经有了一定的了解。对于一个基本应用而言，Docker的网络模型已经很不错了。然而，随着云计算和微服务的兴起，我们不能永远停留在使用基本应用的级别上，我们需要性能更好且更灵活的网络功能。pipework正好满足了我们这样的需求，从的样例中，我们可以看到pipework的方便之处。但是，同时也应注意到，pipework并不是一套解决方案，它只是一个网络配置工具，我们可以利用它提供的强大功能，帮助我们构建自己的解决方案。
冯明振，浙江大学SEL实验室硕士研究生，目前在云平台团队从事科研和开发工作。浙大团队对PaaS，Docker，大数据和主流开源云计算技术有深入的研究和二次开发经验，团队现将部分技术文章贡献出来，希望能对读者有所帮助。
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