Docker Overlay 网络的核心工作（以跨节点容器通信为例）

Docker 的 overlay 网络是一种基于 VXLAN（Virtual Extensible LAN）的多主机网络模式，专为 Docker Swarm 集群设计，用于实现跨节点的容器通信。它通过虚拟二层网络，允许容器在不同主机上像在同一局域网内一样通信。Docker 在实现 overlay 网络时，协调用户态（Docker 守护进程、libnetwork）和内核态（Linux 网络栈、VXLAN 模块），完成从网络创建到数据包转发的复杂工作。以下是以 Markdown 格式输出的详细讲解，以两个跨节点容器（例如节点 1 的 gindemo1 和节点 2 的 gindemo2）通信为例，深入分析 Docker 的核心工作，并具体展示路由表和数据包转发流程。

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我们假设以下场景：

• 节点 1：IP 192.168.1.9，主机名 node01，运行容器 gindemo1（IP: 10.0.1.2）。
• 节点 2：IP 192.168.1.10，主机名 node02，运行容器 gindemo2（IP: 10.0.1.6）。
• 网络：my-overlay-network，VNI（VXLAN Network Identifier）为 4097，子网 10.0.1.0/24，网关 10.0.1.1。
• 通信：gindemo2（节点 2）访问 gindemo1（节点 1），例如 curl http://gindemo1。

Docker 在实现这一通信的过程中，完成了以下核心工作，并涉及具体的路由表配置。

1. 网络创建与配置

Docker 通过 libnetwork 和 Swarm 控制平面创建和管理 overlay 网络。

• 创建网络：

  • 命令：

    docker network create -d overlay --attachable my-overlay-network
    

  • 工作：
    • 使用 overlay 驱动分配网络 ID 和子网（10.0.1.0/24）。
    • 生成唯一的 VNI（4097），存储在配置中（com.docker.network.driver.overlay.vxlanid_list）。
    • 配置 MTU（默认 1450，适应 VXLAN 50 字节开销）。
    • 设置 attachable: true，允许手动附加容器（避免 not manually attachable 错误）。

• Swarm 同步：

  • 将网络配置（VNI、子网、网关）存储在 Swarm 的分布式键值存储（Raft 协议）。
  • 通过 TCP 2377（Swarm 管理）和 TCP/UDP 7946（gossip 协议）端口，分发到节点 1 和节点 2。
  • 确保节点 2 无需手动创建 my-overlay-network，直接使用集群配置。

• IPAM（IP 地址管理）：

  • 分配子网 10.0.1.0/24，网关 10.0.1.1。
  • 为容器动态分配 IP：gindemo1（10.0.1.2）、gindemo2（10.0.1.6）。

2. VXLAN 接口与桥接网络初始化

Docker 在每个节点上创建 VXLAN 接口和桥接网络，支持跨节点二层通信。

• VXLAN 接口：

  • 在节点 1 和节点 2 上为 my-overlay-network 创建 VXLAN 接口（例如 vxlan0）。
  • 配置：
    • VNI：4097。
    • 目标端口：UDP 4789（VXLAN 默认端口）。
    • 绑定物理网卡：enp0s3（你的节点 2 网卡）。
    • MTU：1450。
  • 示例（节点 2，若接口正常显示）：

    ip -d link show vxlan0
    

    输出：

    10: vxlan0:  mtu 1450 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default
        link/ether 02:42:ac:11:00:06 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
        vxlan id 4097 srcport 0 0 dstport 4789 ...
    

• 桥接网络：

  • 创建桥接接口（例如 br-xxxx），连接 VXLAN 接口和容器虚拟接口。
  • 示例（节点 2，假设 brctl 已安装）：

    brctl show
    

    输出：

    bridge name     bridge id               STP enabled     interfaces
    br-xxxx         8000.0242ac110006       no              vxlan0
                                                    veth30344ea
    docker_gwbridge 8000.0242bf32025b       no              vetha7fbe75
    

    • vxlan0：VXLAN 接口，处理跨节点通信。
    • veth30344ea：gindemo2 的虚拟接口。
    • docker_gwbridge：用于外部网络连接。

• 你的情况：

  • 节点 2 未显示 VXLAN 接口（ip -d link show type vxlan 无输出），但抓包确认 VNI 4097 和通信正常，说明 VXLAN 功能通过内核或其他机制运行。

3. 容器网络命名空间配置

Docker 为每个容器创建独立的网络命名空间，配置 IP、MAC 和路由。

• 命名空间创建：

  • 为 gindemo1 和 gindemo2 创建网络命名空间，隔离网络栈。
  • 示例（节点 2，gindemo2）：

    docker inspect gindemo2 | grep -A 5 Network
    

    输出：

        "Networks": {
            "my-overlay-network": {
                "IPAddress": "10.0.1.6",
                "Gateway": "10.0.1.1",
                "EndpointID": "xxxx",
                "MacAddress": "02:42:ac:11:00:06"
            }
        }
    

• 虚拟接口：

  • 创建 veth 接口对：
    • 容器端：eth0（IP: 10.0.1.6，MAC: 02:42:ac:11:00:06）。
    • 主机端：veth30344ea，连接到桥接接口（br-xxxx 或 docker_gwbridge）。
  • 示例（容器内）：

    docker exec -it gindemo2 ip addr
    

    输出：

    1: lo:  mtu 65536
        inet 127.0.0.1/8 scope host lo
    30: eth0@if31:  mtu 1450
        inet 10.0.1.6/24 brd 10.0.1.255 scope global eth0
    

• 路由表配置：

  • Docker 为容器配置路由表，确保数据包通过网关或直接发送到目标。
  • 示例（gindemo2 容器内）：

    docker exec -it gindemo2 ip route
    

    输出：

    default via 10.0.1.1 dev eth0
    10.0.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.1.6
    

    • 解释：
      • 默认路由：通过网关 10.0.1.1（虚拟网关，由 Docker 实现）。
      • 本地子网：10.0.1.0/24 直接通过 eth0 访问，覆盖 gindemo1（10.0.1.2）。

• 主机路由表：

  • 主机上为 my-overlay-network 配置路由，确保数据包进入 VXLAN 隧道。
  • 示例（节点 2 主机）：

    ip route
    

    输出：

    default via 192.168.1.1 dev enp0s3
    10.0.1.0/24 dev br-xxxx proto kernel scope link src 10.0.1.1
    192.168.1.0/24 dev enp0s3 proto kernel scope link src 192.168.1.10
    

    • 解释：
      • 10.0.1.0/24：通过桥接接口（br-xxxx）访问，网关 10.0.1.1。
      • 外部流量通过物理网卡 enp0s3 和默认网关 192.168.1.1。

4. DNS 解析与服务发现

Docker 提供内置 DNS 服务，简化容器间通信。

• DNS 配置：

  • Swarm 维护分布式 DNS 记录，将容器名称映射到 IP。
  • 示例：gindemo1 解析为 10.0.1.2，gindemo2 解析为 10.0.1.6。
  • 配置存储在 Swarm 键值存储中，通过 gossip 协议同步。

• 通信过程：

  • gindemo2 执行 curl http://gindemo1：
    • DNS 查询 gindemo1，解析到 10.0.1.2。
    • 数据包通过容器路由表发送到 eth0。

• 你的抓包：

  • 抓包显示 10.0.1.6（gindemo2）访问 10.0.1.2（gindemo1）的 websm 端口（80 或 443），DNS 解析正常。

5. VXLAN 数据包封装与转发

Docker 协调内核 VXLAN 模块，完成数据包的封装和跨节点转发。

• 数据包生成：

  • gindemo2（10.0.1.6）发送 HTTP 请求到 gindemo1（10.0.1.2）。
  • 容器内路由表：

    10.0.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.1.6
    

    • 数据包通过 eth0 发送，目标 IP 10.0.1.2，MAC 未解析（需 ARP）。

• ARP 解析：

  • Docker 通过 Swarm 的 gossip 协议或多播，解析 10.0.1.2 的 MAC（例如 02:42:ac:11:00:02）。
  • FDB 表记录 MAC 到节点映射：

    bridge fdb show dev vxlan0
    

    输出（节点 2）：

    02:42:ac:11:00:02 dst 192.168.1.9 self
    

    • 表示 gindemo1 的 MAC 映射到节点 1（192.168.1.9）。

• VXLAN 封装：

  • 数据包进入主机桥接接口（br-xxxx），转发到 VXLAN 接口（vxlan0）。
  • 内核 VXLAN 模块封装数据包：
    • 内部帧：源 10.0.1.6（MAC: 02:42:ac:11:00:06），目标 10.0.1.2（MAC: 02:42:ac:11:00:02）。
    • VXLAN 头：VNI 4097。
    • 外部 UDP：源 192.168.1.10（动态端口，例如 50730），目标 192.168.1.9:4789。
    • 外部 IP：源 192.168.1.10，目标 192.168.1.9。
  • 你的抓包：

    07:22:12.656724 IP 192.168.1.10.50730 > 192.168.1.9.vxlan: VXLAN, flags [I] (0x08), vni 4097
    IP 10.0.1.6.35126 > 10.0.1.2.websm: Flags [S], seq 2498547307, win 28200, ...
    

• 转发：

  • 数据包通过物理网卡（enp0s3）发送到节点 1。
  • 主机路由表（节点 2）：

    192.168.1.0/24 dev enp0s3 proto kernel scope link src 192.168.1.10
    

    • 目标 192.168.1.9 通过 enp0s3 直接发送。

• 节点 1 解封装：

  • 节点 1 接收 UDP 4789 数据包，VXLAN 接口（vxlan0）解封装。
  • 内部帧转发到 gindemo1（10.0.1.2）的 eth0。
  • 节点 1 路由表（容器内）：

    default via 10.0.1.1 dev eth0
    10.0.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.1.2
    

6. iptables 和外部连接

Docker 配置 iptables，支持容器与外部网络的通信。

• NAT 配置：

  • 为端口映射（例如 -p 8081:80）配置 iptables 的 nat 表（DOCKER 链）。
  • 示例（节点 2）：

    sudo iptables -t nat -L DOCKER
    

    输出：

    Chain DOCKER (2 references)
    target     prot opt source               destination
    DNAT       tcp  --  anywhere             0.0.0.0/0            tcp dpt:8081 to:10.0.1.6:80
    

• docker_gwbridge：

  • 连接容器到外部网络，处理外部访问（例如通过 192.168.1.10:8081 访问 gindemo2）。
  • 你的输出：

    10: docker_gwbridge:  mtu 1500 ...
        link/ether 02:42:bf:32:02:5b ...
    24: vetha7fbe75@if23: ... master docker_gwbridge ...
    31: veth30344ea@if30: ... master docker_gwbridge ...
    

• 防火墙：

  • 确保 UDP 4789（VXLAN）、TCP 2377（Swarm 管理）、TCP/UDP 7946（gossip）端口开放。
  • 示例：

    sudo ufw allow 4789/udp
    

7. Swarm 控制平面管理

Docker Swarm 提供分布式管理，确保 overlay 网络跨节点一致。

• 网络同步：

  • 通过 Raft 协议存储网络配置（VNI、子网、FDB）。
  • 节点 2 无需手动创建 my-overlay-network，Swarm 自动分发。

• 服务发现：

  • Swarm 维护 DNS 记录，动态更新容器 IP 和名称。
  • 示例：gindemo2 查询 gindemo1，返回 10.0.1.2。

• 故障处理：

  • 检测节点状态（docker node ls），重新同步配置。
  • 你的问题（节点 2 无 VXLAN 接口）可能因同步或内核问题，Docker 仍通过其他机制维持通信。

8. 性能优化

Docker 优化 overlay 网络的性能。

• 内核 VXLAN：

  • 使用 Linux 内核的 VXLAN 模块，高效处理封装。
  • 支持网卡硬件卸载（如果支持）。

• 多播/单播：

  • 默认使用多播分发 ARP，动态切换到单播（你的环境中可能为单播）。
  • FDB 表动态更新：

    02:42:ac:11:00:02 dst 192.168.1.9 self
    

• MTU：

  • 设置 MTU 1450，适应 VXLAN 封装。
  • 你的抓包显示 mss 1410，确认 MTU 正确。

9. 调试与监控

Docker 提供工具支持 overlay 网络调试。

• 网络检查：

  • docker network inspect my-overlay-network：显示 VNI（4097）、子网、容器 IP。
  • docker inspect gindemo2：确认 IP 和 MAC。

• 抓包：

  • 你的抓包：

    IP 192.168.1.10.50730 > 192.168.1.9.vxlan: VXLAN, flags [I] (0x08), vni 4097
    

    • 验证 VNI 和通信。

• 日志：

  • journalctl -u docker：记录网络错误。

10. 异常处理

Docker 处理 overlay 网络的异常情况。

• 你的问题（节点 2 无 VXLAN 接口）：

  • 可能原因：VXLAN 模块未加载（modprobe vxlan）、iproute2 过旧、Docker 网络栈异常。
  • Docker 仍通过内核直接处理 VXLAN 流量（抓包确认），但接口未显示。

• 解决方案：

  • 加载 VXLAN 模块：

    sudo modprobe vxlan
    

  • 更新 iproute2：

    sudo yum update iproute
    

  • 重启 Docker：

    systemctl restart docker
    

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具体路由表和数据包流程

以下是 gindemo2（节点 2，10.0.1.6）访问 gindemo1（节点 1，10.0.1.2）的详细流程，包含路由表。

1. gindemo2 容器（节点 2）

• 路由表：

  docker exec -it gindemo2 ip route
  

  default via 10.0.1.1 dev eth0
  10.0.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.1.6
  

• 流程：
  • curl http://gindemo1 解析为 10.0.1.2（Swarm DNS）。
  • 数据包：源 10.0.1.6:35126，目标 10.0.1.2:80（HTTP）。
  • 路由匹配 10.0.1.0/24，通过 eth0 发送。
  • ARP 请求 10.0.1.2 的 MAC，解析为 02:42:ac:11:00:02。

2. 节点 2 主机

• 路由表：

  ip route
  

  default via 192.168.1.1 dev enp0s3
  10.0.1.0/24 dev br-xxxx proto kernel scope link src 10.0.1.1
  192.168.1.0/24 dev enp0s3 proto kernel scope link src 192.168.1.10
  

• FDB 表：

  bridge fdb show dev vxlan0
  

  02:42:ac:11:00:02 dst 192.168.1.9 self
  

• 流程：
  • 数据包从 veth30344ea 进入桥接接口（br-xxxx）。
  • VXLAN 接口（vxlan0，若存在）封装数据包：
    • 内部：源 10.0.1.6（MAC: 02:42:ac:11:00:06），目标 10.0.1.2（MAC: 02:42:ac:11:00:02）。
    • 外部：源 192.168.1.10:50730，目标 192.168.1.9:4789，VNI 4097。
  • 路由匹配 192.168.1.0/24，通过 enp0s3 发送。

3. 节点 1 主机

• 路由表：

  ip route
  

  default via 192.168.1.1 dev enp0s3
  10.0.1.0/24 dev br-yyyy proto kernel scope link src 10.0.1.1
  192.168.1.0/24 dev enp0s3 proto kernel scope link src 192.168.1.9
  

• 流程：
  • 接收 UDP 4789 数据包，VXLAN 接口解封装。
  • 内部帧转发到桥接接口（br-yyyy），匹配 10.0.1.2。
  • 数据包通过 veth 接口送达 gindemo1 的 eth0。

4. gindemo1 容器（节点 1）

• 路由表：

  docker exec -it gindemo1 ip route
  

  default via 10.0.1.1 dev eth0
  10.0.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.1.2
  

• 流程：
  • 接收数据包，处理 HTTP 请求。
  • 响应通过相同路径返回（反向封装，VXLAN 到节点 2）。

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总结

Docker 在 overlay 网络中完成以下核心工作：

1. 网络创建：分配 VNI（4097）、子网（10.0.1.0/24），通过 Swarm 同步。
2. VXLAN 初始化：创建 VXLAN 接口（vxlan0）、桥接接口（br-xxxx）。
3. 容器配置：分配 IP（10.0.1.2, 10.0.1.6）、MAC，配置路由表和 veth 接口。
4. DNS 解析：提供 Swarm DNS，解析 gindemo1 到 10.0.1.2。
5. 数据封装：封装 VXLAN 数据包（外部: 192.168.1.10 到 192.168.1.9，VNI 4097），维护 FDB。
6. iptables：配置 NAT 和端口映射，连接 docker_gwbridge。
7. Swarm 管理：分布式同步，故障恢复。
8. 优化与调试：内核 VXLAN、MTU 1450、抓包支持。