Docker网络原理及Cgroup硬件资源占用控制

目录

一. Docker 网络实现原理

1. 介绍

2. docker 的网络模式

3. 网络模式详解

3.1 host模式

3.2 container模式

3.3 none 模式

3.4 bridge 模式

3.5 自定义网络

3.6 网络总结

二. Docker容器的资源控制

1. cgroup 介绍

2. CPU 资源控制

2.1 设置cpu使用率上限

2.2 设置CPU资源占用比（设置多个容器时才有效）

2.3 设置容器绑定指定的CPU

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一. Docker 网络实现原理

1. 介绍

Docker 使用 Linux 桥接，在宿主机虚拟一个Docker容器网桥(docker0)，Docker启动一个容器时会根据Docker网桥的网段分配给容器一个IP地址，称为Container-IP，同时Docker网桥是每个容器的默认网关。因为在同一宿主机内的容器都接入同一个网桥，这样容器之间就能够通过容器的 Container-IP 直接通信。

Docker网桥是宿主机虚拟出来的，并不是真实存在的网络设备，外部网络是无法寻址到的，这也意味着外部网络无法直接通过 Container-IP 访问到容器。如果容器希望外部访问能够访问到，可以通过映射容器端口到宿主主机（端口映射），即 docker run 创建容器时候通过 -p 或 -P 参数来启用，访问容器的时候就通过[宿主机IP]:[容器端口]访问容器。

docker run -d --name test1 -P nginx					#随机映射端口（从32768开始）
 
docker run -d --name test2 -p 10000:80 nginx		#指定映射端口

#查看容器的输出和日志信息
docker logs 容器的ID/名称

2. docker 的网络模式

• Host：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。
• Container：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。
• None：该模式关闭了容器的网络功能。
• Bridge：默认为该模式，此模式会为每一个容器分配、设置IP等，并将容器连接到一个docker0虚拟网桥，通过docker0网桥以及iptables nat 表配置与宿主机通信。
• 自定义网络 

 docker初始状态下有三种默认的网络模式 ，bridg（桥接），host（主机），none（无网络设置）

docker network ls	 或  docker network list			
#查看docker网络列表

#使用docker run创建Docker容器时，可以用 --net 或 --network 选项指定容器的网络模式
 
host模式：使用 --net=host 指定。
none模式：使用 --net=none 指定。
container模式：使用 --net=container:NAME_or_ID 指定。
bridge模式：使用 --net=bridge 指定，默认设置，可省略。

3. 网络模式详解

3.1 host模式

相当于 Vmware 中的桥接模式，与宿主机在同一个网络中，但没有独立IP地址。
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 提供了一份独立的网络环境，包括网卡、路由、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独立的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独立的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。

docker run -d --name test1 --network host nginx:latest

docker ps --filter  "network=host"

lsof -i:80

3.2 container模式

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。

#基于镜像nginx:latest 创建一个名为web1的容器
docker run -itd --name web1 nginx:latest /bin/bash
#查看容器web1的pid号
docker inspect -f '{{.State.Pid}}' web1
ls -l /proc/web1的pid/ns
 
#创建web2容器，使用container网络模式，和web1共享网络命名空间
docker run -itd --name web2 --net=container:web1 nginx:latest /bin/bash
#查看web2容器的pid
docker inspect -f '{{.State.Pid}}' web2
ls -l /proc/web2的pid/ns/
#可以看到web2和web1共享同一个网络命名空间

docker inspect web1的ID
 
docker inspect web2的ID   web2向web1用的IP网段

3.3 none 模式

使用none模式，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、路由等信息。这种网络模式下容器只有lo回环网络，没有其他网卡。这种类型的网络没有办法联网，封闭的网络能很好的保证容器的安全性。

docker run -itd --name web3 --network=none nginx:latest  /bin/bash

3.4 bridge 模式

bridge 模式是 docker 的默认网络模式，不用 --net 参数，就是bridge模式。

相当于Vmware中的 nat 模式，容器使用独立network Namespace，并连接到 docker0 虚拟网卡。通过 docker0 网桥以及 iptables nat表配置与宿主机通信，此模式会为每一个容器分配Network Namespace、设置IP等，并将一个主机上的 Docker 容器连接到一个虚拟网桥上。    

① 当Docker进程启动时，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。

② 从 docker0 子网中分配一个IP给容器使用，并设置 docker0 的IP地址为容器的默认网关。在主机上创建一对虚拟网卡veth pair设备。veth设备总是成对出现的，它们组成了一个数据的通道，数据从一个设备进入，就会从另一个设备出来。因此，veth设备常用来连接两个网络设备。

③ Docker将 veth pair 设备的一端放在新创建的容器中，并命名为 eth0（容器的网卡），另一端放在主机中， 以 * 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 veth

④ 使用 docker run -p 时，docker 实际是在 iptables 做了DNAT规则，实现端口转发功能。可以使用 iptables -t nat -vnL 查看。

3.5 自定义网络

直接使用bridge模式，是无法支持指定IP运行docker的，例如执行以下命令就会报错

创建自定义网络
#可以先自定义网络，再使用指定IP运行docker
docker network create --subnet=172.18.0.0/16 --opt "com.docker.network.bridge.name"="docker1"  mynetwork
 
 
#docker1 为执行 ifconfig -a 命令时，显示的网卡名，
如果不使用 --opt 参数指定此名称，那你在使用 ifconfig -a 命令查看网络信息时，
看到的是类似 br-110eb56a0b22 这样的名字，这显然不怎么好记。
#mynetwork 为执行 docker network list 命令时，显示的bridge网络模式名称。
 
#指定容器IP
docker run -itd --name web4 --net mynetwork --ip 172.18.0.50 nginx:latest /bin/bash

查看

3.6 网络总结

①  host 容器使用宿主机的网络直接公开服务。这意味着如果你在容器中运行一个web服务，那么它就直接绑定到主机的网络接口上，而不是通过docker进行任何网络转发
简短:与宿主机共享网络名称空间

② container

这种模式允许容器去共享另一个容器网络命名空间，这说明两个容器可以相同的网络接口和IP地址，他们共享的是同一网络命名空间
多个容器之间共享一个net work namespace(命名空间)

③ none是简单的网络模式

此网络模式表示将容器拥有自己的网络命名空间，但不会进行任何网络配置，这实际给了用户完全的自主权来给自己配置容器的网络
自闭空间

④ bridge 默认的网络模式

每个新创建的容器都将该网络分配一个IP地址，此网络模式允许所有docker容器之间以及docker宿主机之间进行互相通信
默认模式 通过VETH对连接容器docker0网桥 网桥分配给容器IP 同时docker0作为局域网内容器的网关，最后与宿主机网卡进行通讯

⑤ user-defined network 自定义

docker 允许用户创建自己的定义的网络，用户可以定义的网络范围、子网、路由等参数，这种类型网络使用用户可以更好地对容器网络进行控住和隔离(生产业务需求:注:根据甲方指定或领导指定)
根据业务需求指定静态IP地址

生产经验

# daemon.json 配置介绍
 {
  "graph": "/data/docker",
  "storage-driver": "overlay2",
  "insecure-registries": ["registry.access.redhat.com", "quay.io"],
  "registry-mirrors": ["https://3u6mkfxb.mirror.aliyuncs.com"],
  "bip": "172.24.38.1/24",       #指定网桥的网段，这里不能写0，必须写1
  "exec-opts": ["native. cgroupdriver= systemd"],
  "live-restore": true
 }
 ​
 #配置项注意点:
 ● graph：该关键字未来将被弃用，可以采用"data-root" 替代。
 ● storage-driver：存储驱动，即分层文件系统。
 ● insecure-registries：不安全的docker registries, 即使用http协议推拉镜象。
 ● registry-mirrors:加速站点，一般可以使用阿里、网易云、docker中国 (https: //registry.docker-cn.com)的地址。
 ● bip：指定doccer bridge地址(不能以.0结尾)，生产中建议采用172.xx.yy.1/24,其中xx. yy为宿主机ip后四位，方便定位问题。
 ● 若启动失败，查看/var/log/message 日志排错。
 ● live-restore：启用实时还原。
 默认情况下，当Docker守护程序终止时，它将关闭正在运行的容器。从Docker Engine 1.12开始，您可以配置守护程序，以便在守护程序不可用时容器仍在运行。此功能称为实时还原。实时还原选项有助于减少由于守护程序崩溃，计划内的停机或升级而导致的容器停机时间。
 ​
 ​
 #使用配置文件/etc/docker/daemon.json (没有时新建该文件)
 vim /etc/docker/daemon.json
 {
 " insecure-registries": ["192.168.10.7:666"],
 "registry-mirrors": ["https://3u6mkfxb.mirror.aliyuncs.com"],
 "live-restore": true
 }

二. Docker容器的资源控制

1. cgroup 介绍

Docker 通过 Cgroup 来控制容器使用的资源配额，包括CPU、内存、磁盘三大方面，基本覆盖了常见的资源配额和使用量控制。Cgroup 是ControlGroups的缩写，是Linux 内核提供的一种可以限制、记录、隔离进程组所使用的物理资源(如 cpu、内存、磁盘，io等等)的机制，被LXC、docker等很多项目用于实现进程资源控制。Cgroup本身是提供将进程进行分组化管理的功能和接口的基础结构，I/O或内存的分配控制等具体的资源管理是通过该功能来实现的。

cgroups，是一个非常强大的linux内核工具，他不仅可以限制被 namespace 隔离起来的资源， 还可以为资源设置权重、计算使用量、操控进程启停等等。 所以 cgroups（Control groups）实现了对资源的配额和度量。

cgroups有四大功能：

• 资源限制：可以对任务使用的资源总额进行限制
• 优先级分配：通过分配的cpu时间片数量以及磁盘IO带宽大小，实际上相当于控制了任务运行优先级
• 资源统计：可以统计系统的资源使用量，如cpu时长，内存用量等
• 任务控制：cgroup可以对任务执行挂起、恢复等操作

2. CPU 资源控制

2.1 设置cpu使用率上限

Linux 通过CFS（Completely Fair Scheduler，完全公平调度器）来调度各个进程对CPU的使用。CFS默认的调度周期是100ms。
我们可以设置每个容器进程的调度周期，以及在这个周期内各个容器最多能使用多少 CPU 时间。

使用 --cpu-period 即可设置调度周期，使用 --cpu-quota 即可设置在每个周期内容器能使用的CPU时间。两者可以配合使用。
CFS 周期的有效范围是 1ms~1s，对应的 --cpu-period 的数值范围是 1000~1000000。 周期100毫秒 
而容器的 CPU 配额必须不小于 1ms，即 --cpu-quota 的值必须 >= 1000。

修改默认的容器时间分片上限规则

进行CPU压力测试
 

docker exec -it web5 /bin/bash

编辑脚本

#!/bin/bash
i=0
while true
do
let i++
done

第二种方式：

创建容器时指定容器的cpu资源占用量上限 

设置50%的比例分配CPU使用时间上限
docker run -itd --name test6 --cpu-quota 50000 centos:7 /bin/bash

上一种方式

cd /sys/fs/cgroup/cpu/docker/3ed82355f81151c4568aaa6e7bc60ba6984201c119125360924bf7dfd6eaa42b/
echo 50000 > cpu.cfs_quota_us
docker exec -it 3ed82355f811 /bin/bash
./cpu.sh
 
top					#可以看到cpu占用率接近50%，cgroups对cpu的控制起了效果

2.2 设置CPU资源占用比（设置多个容器时才有效）

 创建容器时可以使用选项  --cpu-shares  数值（该数值要为1024的倍数，1024代表一份，当个容器占用cpu的份额由自身分配的份数除于所有容器占用cpu的份数，就为该容器所占用cpu资源的百分比）

Docker 通过 --cpu-shares 指定 CPU 份额，默认值为1024，值为1024的倍数。
#创建两个容器为 c1 和 c2，若只有这两个容器，设置容器的权重，使得c1和c2的CPU资源占比为1/3和2/3。
docker run -itd --name test01 --cpu-shares 512 centos:7	
docker run -itd --name test02 --cpu-shares 1024 centos:7

分别进入容器，进行压力测试

#下载epel源
yum install -y epel-release
#下载压测工具
yum install -y stress
 
#进行四个线程压测
stress -c 4				#产生四个进程，每个进程都反复不停的计算随机数的平方根
 
#再开启一个终端查看测试结果
docker stats

#查看容器运行状态（动态更新）
docker stats

2.3 设置容器绑定指定的CPU

先分配虚拟机4个CPU核数

docker run -itd --name test03 --cpuset-cpus 1 centos:7 /bin/bash

进入容器，进行压力测试
yum install -y epel-release
yum install stress -y
stress -c 4

执行 top 命令再按 1 查看CPU使用情况。

总结：

• cgroup(control groups) 是一个Linux内核的一个特性 ，用于限制记录和隔离进程组系统资源使用(cpu、内存、磁盘I/0等)
• cpu-period 周期 指的是 CPU 在给与当前管理控制容器的分配资源时 ，cpu 分配周期 默认1s,此配置可以在运行时直接指定
• cpu-quota(cPu 配额)它直接限制了CGROUP可以使用cpu的时间如果设置了CRP的100000us(微妙)，那么在每个100ms(毫秒)的是时间窗口CGROUP是最多只能使用 100000us(微妙)的 cpu 时间
• cpuset-cpu指定容器仅能使用指定CPU，按照cpu的下标来表示