20、架构-容器间网络

本章讨论了虚拟化网络，尤其是如何基于Linux系统的网络虚拟化技术来实现容器间的网络通信。以下是详细的知识点说明。

1、 Linux网络虚拟化

Linux网络虚拟化技术是容器间通信的基础，通过网络名称空间、虚拟网络设备和虚拟交换机，实现了容器间高效、隔离的网络通信。

网络通信模型

Linux网络通信模型展示了信息从应用程序发出，通过网络传输，再被另一个程序接收的全过程。Linux系统的通信过程呈现"逐层调用，逐层封装"的特点，通常被称为"Linux网络协议栈"，即网络栈或协议栈。网络栈的设计主要考虑数据安全隔离，由内核处理网络报文收发，虽然会增加一些执行开销，但能够防止应用程序窃听或伪造通信内容。

干预网络通信

在协议栈中，用户可以通过特定的钩子和工具（如Netfilter）干预网络数据的流动。Netfilter在数据包的处理路径上插入钩子，使得用户可以通过iptables规则实现数据包过滤、修改和转发。这一机制为实现容器间复杂的网络策略提供了基础。

虚拟化网络设备

虚拟化网络设备是实现容器间通信的关键，包括虚拟网卡、虚拟交换机和隧道协议。

虚拟网卡（tun/tap、veth）：
- tun/tap：这是一组通用的虚拟驱动程序，包含用于网络数据包处理的虚拟网卡驱动和用于内核空间与用户空间交互的字符设备驱动。tun设备操作三层数据包（IP报文），tap设备操作二层数据包（以太帧）。它们常用于VPN等需要用户态程序处理数据包的场景。
- veth：veth是一对虚拟网卡设备，常用于连接不同网络名称空间。数据从veth的一端进入，从另一端原样输出，因此适用于两个容器间的直接通信。
虚拟交换机（Linux Bridge） ：

Linux Bridge是Linux系统下的虚拟化交换机，提供二层转发功能。通过brctl命令创建和管理，能够接入任何二层网络设备，包括物理网卡和虚拟设备。Linux Bridge支持MAC地址学习、泛洪和生成树协议（STP），用于防止网络环路。
网络隧道协议（VXLAN） ：

VXLAN是一种基于虚拟交换机的Overlay网络协议，用于跨物理主机的容器间通信。VXLAN通过在物理网络上构建一层虚拟网络，将控制平面和数据平面分离，实现流量的灵活控制和网络拓扑的动态调整【4†source】。

2、容器间通信

容器间的网络通信可以分为三类：本地主机内部的多个容器间通信、本地主机与内部容器间通信、跨主机的多个容器间通信。

本地主机内部的容器通信：通过Linux Bridge或veth实现，数据包在本地主机内传输，性能较高。
本地主机与容器间通信：通过Netfilter实现，使用iptables规则将外部流量转发到容器。
跨主机的容器通信：通过VXLAN等隧道协议实现，将数据包封装后在物理网络上传输，解封装后送达目标容器。

容器网络与生态

在容器生态系统中，网络插件和工具不断发展，以满足不同场景下的容器网络需求。以下是主要的容器网络模型和插件。

CNM与CNI

CNM（Container Network Model）和CNI（Container Network Interface）是容器网络的两种主要模型。

CNM：由Docker提出，定义了容器网络的标准接口和管理方式。CNM包含Network、Endpoint和Sandbox三个组件，分别对应网络、网络端点和网络命名空间。
CNI：由CoreOS提出，后由CNCF接管，成为Kubernetes的标准网络接口。CNI插件负责容器网络的创建和删除，以及容器生命周期管理期间的网络配置。

CNM到CNI

Kubernetes最初支持CNM，但随着CNI的普及和发展，逐渐转向CNI。CNI的优势在于其灵活性和可扩展性，可以适配各种不同的网络插件和底层网络架构。

网络插件生态

Flannel：Flannel是一个简单易用的CNI插件，提供Overlay网络，支持多种后端（如VXLAN、host-gw等）以适应不同的网络环境。
Calico：Calico提供高性能的网络方案，支持BGP协议，适用于大规模分布式系统。Calico可以运行在二层和三层网络模式下，提供灵活的网络策略管理。
Weave：Weave是一种简单的网络解决方案，支持跨主机的容器通信。Weave通过自动发现和配置，提供即插即用的网络功能。
MACVLAN：MACVLAN通过为每个容器分配一个独立的MAC地址，实现容器与宿主机在同一网络中的直接通信。适用于需要高性能和低延迟的场景。
SR-IOV：SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）通过硬件虚拟化，将物理网卡的资源直接分配给容器，提供接近裸机的网络性能。适用于高性能计算和网络密集型应用。

总结

通过Linux网络虚拟化技术和容器网络插件，现代分布式系统实现了高效、灵活的网络通信。无论是通过虚拟网卡和虚拟交换机实现的本地通信，还是通过VXLAN和CNI插件实现的跨主机通信，容器网络为云原生应用提供了强有力的支持。通过Flannel、Calico、Weave等CNI插件，用户可以根据实际需求选择合适的网络解决方案，构建高效可靠的容器网络生态系统。