作者：禅与计算机程序设计艺术
1.背景介绍
容器（Container）技术逐渐成为主流云计算技术，Kubernetes作为容器编排工具，已经成为各大云厂商、社区推崇的“标杆”容器平台。Kubernetes提供应用的调度和部署能力，通过动态分配资源和存储，实现业务自动伸缩，保障了容器集群的高可用性。但是由于容器技术发展迅速，容器网络、存储等领域也同时发展起来，给 Kubernetes 提供了更加强大的网络能力。
容器网络是指如何让不同容器可以互相访问、通信，主要分为三种类型：
- 联通性（Connectivity）：容器间如何建立网络连接？
- 负载均衡（Load balancing）：多个容器之间如何做负载均衡？
- 命名服务（Naming services）：容器是否需要基于名称进行访问？
服务发现（Service Discovery）是一个微服务架构中非常重要的一环，它的作用是定位到特定的服务实例，并将请求路由到该实例上。目前业界已有众多服务发现方案，包括基于 DNS 的服务发现、基于注册中心的服务发现、基于分布式缓存的服务发现等。本文从这两个方面，分别分析一下容器网络和服务发现的相关技术要点及其运作方式。
2.核心概念与联系
2.1 容器网络
2.1.1 Docker网络模式
Docker提供了五种网络模式（Network Mode），可用于容器间的网络互连。
bridge模式：默认的网络模式，docker启动时会创建一个名为 docker0 的网桥，docker0网桥与主机系统运行在同一个网卡上，因此该模式下的容器可以直接通过主机系统的IP地址相互通信。host模式：容器和宿主机共用一个网络命名空间，所有端口对外部都是可见的。none模式：不配置任何网络，容器之间不建立任何网络连接。container:<name|id>模式：容器间建立虚拟网卡，并将指定容器加入到当前容器的网络栈。overlay模式：使用Overlay网络进行跨主机容器间的通信，例如Swarm模式下的容器网络。
除了以上五种网络模式之外，用户还可以自定义网络驱动，通过第三方插件扩展出更多的网络模式。
2.1.2 容器网络模型
在Veth Pair模型下，每个容器都有一个对应的Endpoint设备，Endpoint设备是由Linux内核创建的，用来建立Linux网络命名空间中的一个虚拟网卡。容器A和容器B共享相同的Namespace（即进程级隔离），并且它们各自独立地获得了一个VethPair设备，VethPair设备是一对虚拟网卡，分别属于两个容器。VethPair设备的名称一般为vethXXX和vethYYY，其中XXX和YYY的编号是随机生成的。
当容器A想与容器B通信时，它会将自己的VethPair设备XXX和容器B的VethPair设备YYY连接在一起。这样，容器A和容器B就都在一个共享的网络命名空间中，容器A可以通过容器B的IP地址与容器B通信。
容器网络带来的主要好处包括：
- 容器之间直接可达，无需额外配置，只需要两端连接；
- 没有单独配置IP，IP由系统自动分配；
- 支持容器间的远程访问，允许不同主机上的容器互相访问。
然而，容器网络也存在一些局限性：
- IP地址分配难以管理，难以确定哪个容器对应哪些IP地址；
- 容易出现性能瓶颈，尤其是在容器数量很多的时候；
- Veth Pair模型不支持多播、广播等协议。
为了解决这些问题，Kubernetes提供了更加完善的网络模型，包括Pod网路（CNI Plugin）、Service网路（kube-proxy）等。后续章节将详细介绍这两种网络模型。
2.2 服务发现
服务发现是微服务架构的一个重要组成部分。服务发现旨在帮助客户端快速找到服务的位置，客户端通过服务发现模块查找到服务的IP地址、端口号等信息，然后就可以直接向服务发送请求，而不需要知道服务在哪些机器上运行或者它们的具体配置。
服务发现通常分为两大类：静态服务发现和动态服务发现。
- 静态服务发现：静态服务发现指的是把服务节点的信息配置到配置文件中，这种方式显得过于静态，不方便服务扩容和修改。
- 动态服务发现：动态服务发现则是利用注册中心实时感知服务的变化，从而动态地更新服务的节点信息。注册中心往往采用中心化的方式，服务器之间互相保持联系，只要其中一台服务器发生故障，另一台服务器立刻就可以接替工作。
由于静态服务发现仍然依赖人工配置，并且易受配置错误的影响，所以在实际生产环境中很少使用。而动态服务发现又具有很高的实现复杂度和维护成本，在大规模微服务架构中使用不多。
3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解
3.1 Bridge模式网络实现
3.1.1 相关术语定义
在Bridge模式的网络结构中，多个Docker容器共享一个网络栈，并且通过宿主机的网卡进行数据包转发。如下图所示：
如上图所示，宿主机上有两块网卡：
- eth0: 物理网卡，可以通过DHCP获取IP地址；
- br0: Linux网桥设备，所有经过网桥的数据包都会先经过该设备。
在Docker容器中运行着多个容器，Docker的每个容器都会获得一个Veth Pair设备，Veth Pair设备代表一个网络接口，可以被添加到网桥br0上，从而连接到宿主机的br0。
为了简化流程，下文仅考虑只有两台机器的场景，如果是多台机器的场景，Docker容器会自动在每台机器上获得一个Veth Pair设备。
3.1.2 数据包发送过程
假设容器A需要跟容器B通信，由于两者处于同一个网络命名空间，所以可以直接通过IP地址来通信。首先，容器A会通过Socket API发送数据包，数据包会通过网卡eth0发送到网桥br0，进而发送给容器B所在的主机上，这台主机上的Veth Pair设备就会接收到这个数据包，然后再发送给容器B。因此，容器A跟容器B之间的通信不会受到限制，因为二者之间仍然处于同一个网络命名空间。
3.1.3 数据包转发过程
当容器A要跟容器B通信时，容器A会将自己跟容器B的Veth Pair设备连接起来，然后就可以像跟主机通信一样，通过IP地址来通信。但是，实际上容器A和容器B之间的通信还需要通过网桥br0才能发送到容器B。
对于一台计算机来说，网桥上可能有多个连接着的Veth Pair设备，所以当数据包来到网桥时，它需要判断目的MAC地址是不是它的一个Veth Pair设备，如果不是，则根据表项将数据包发送到正确的Veth Pair设备。为了避免复杂性，这里仅讨论最简单的情况，即没有VLAN等复杂的配置。
例如，当容器A发送数据包给容器B时，首先查看它的Veth Pair设备的MAC地址，假设是X；此时，数据包会先进入宿主机的br0，但由于宿主机只知道X，并不知道容器B的Veth Pair设备的MAC地址Y。此时，br0会将数据包复制一份，并修改它的源MAC地址为X，目标MAC地址为Y，然后丢弃原数据包。这样，数据包最终会发送到容器B的Veth Pair设备，从而达到双向通信的目的。
注意，在这种情况下，容器A和容器B虽然处于同一个网络命名空间，但是它们仍然是两个不同的网络。也就是说，容器A的进程之间无法直接通信，只能通过网桥。但是，容器A和宿主机上的其他容器之间还是可以通信的，这是因为它们仍然在相同的网络命名空间中。
3.2 Host模式网络实现
3.2.1 相关术语定义
Host模式的网络结构中，多个Docker容器共享一个网络栈，并且直接利用宿主机的网络命名空间。
与Bridge模式类似，在Host模式下，Docker容器之间仍然可以通过Veth Pair设备来通信，不过它使用的是宿主机的网络命名空间，而不是网桥。
与Bridge模式不同的是，容器之间也可以直接通过IP地址通信，并且在宿主机的网络命名空间中暴露容器的端口，使得容器可以被其他进程或者容器访问。
如上图所示，宿主机上有两块网卡：
- eth0: 物理网卡，可以通过DHCP获取IP地址；
- lo: loopback网卡，类似于虚拟机中的回环网卡。
在Docker容器中运行着多个容器，Docker的每个容器都会获得一个Veth Pair设备，Veth Pair设备代表一个网络接口，可以被添加到网络命名空间中，从而连接到宿主机的loopback接口。
为了简化流程，下文仅考虑只有两台机器的场景，如果是多台机器的场景，Docker容器会自动在每台机器上获得一个Veth Pair设备。
3.2.2 数据包发送过程
与Bridge模式的网络结构类似，Host模式下的网络栈也需要配置IP地址，然后才能正常通信。对于Host模式下的容器A来说，配置IP地址的方法有以下几种：
- 使用Docker run命令设置IP地址参数，如
--ip=192.168.0.2，注意，此时的IP地址不能和宿主机上的IP地址重复。 - 配置容器的
/etc/hosts文件，可以将容器A的域名映射到指定的IP地址上，从而使得容器A能够通过域名来访问容器B。 - 配置容器的
/etc/resolv.conf文件，可以将DNS服务器指向宿主机的IP地址，从而使得容器A能够解析域名。 - 在容器A里运行网络代理程序，可以使用如nginx或haproxy这样的Web代理软件，然后将流量导向容器B。
3.2.3 数据包转发过程
由于容器A和容器B共享一个网络命名空间，他们之间的数据包都可以直接通过IP地址通信。容器A可以在宿主机上查看到容器B的IP地址，然后直接向容器B发送数据包。
容器A可以通过Socket API发送数据包，这样就不会受到网桥的干扰。但是，由于容器B的IP地址在网关路由表中并不存在，所以数据包会被丢弃。
为了将数据包正确地转发到容器B，需要在网关路由表中增加一条路由，将容器A的IP地址指向容器B的Veth Pair设备的IP地址。容器A收到的数据包就会通过网关路由表，正确地发送到容器B的Veth Pair设备上。
例如，假设容器A的IP地址是192.168.0.2，容器B的Veth Pair设备的IP地址是192.168.0.3，则需要在网关路由表中新增一条路由：
route add -net 192.168.0.2 netmask 255.255.255.0 gw 192.168.0.3 dev vethBeeFie这样，所有发往192.168.0.2/24的IPv4数据包都会先经过网关192.168.0.3，然后被转发到Veth Pair设备vethBeeFie上。容器A可以通过Socket API发送数据包，但需要注意，必须发送到192.168.0.3才行，否则数据包会被丢弃。
当然，也可以通过iptables命令或其它网络工具来实现这一功能，但这并不是本文重点。
3.3 None模式网络实现
3.3.1 相关术语定义
None模式的网络结构中，Docker容器之间完全没有网络连接，除非手动配置，否则彼此之间无法通信。
对于None模式的容器A来说，它的网络栈是空白的，即它根本不知道自己属于哪个网络命名空间，也不知道自己的IP地址，所以即便它想要跟容器B通信，也无法实现。
对于None模式的容器B来说，它的IP地址也是空白的，即便它真的有IP地址，也不知道其他容器的IP地址，因此它也无法跟其他容器通信。
在None模式下，容器A和容器B彼此之间不通过任何网络设备或接口来通信，它们只能靠外部进程或容器间的通信。
3.4 container模式网络实现
3.4.1 相关术语定义
container模式的网络结构中，Docker容器之间通过主机上某个容器的网卡直接通信，从而实现通信。
container模式下的容器A依然有Veth Pair设备，和其他的网络模型一样，但由于使用的是宿主机的网络命名空间，所以可以直接与其他容器通信。
假设容器A的名字叫做c1，在宿主机上运行着另一个容器B，容器B的名字叫做c2，并且容器A要跟容器B通信。容器A的配置如下：
version: '3'
services:
c1:
image: alpine
command: tail -f /dev/null
networks:
default:
ipv4_address: 172.17.0.2
c2:
image: nginx
ports:
- "80:80"
depends_on:
- c1
environment:
CONTAINER_NAME: c1
networks:
default:
ipv4_address: 172.17.0.3
networks:
default:
external: true
name: my-bridge在这种情况下，容器A的网卡的IP地址是172.17.0.2，容器B的网卡的IP地址是172.17.0.3。容器A要跟容器B通信，首先需要将Veth Pair设备c1-if和c2-if连接在一起，然后就可以像跟主机通信一样，通过IP地址来通信。
ip link set c1-if master my-bridge # 将Veth Pair设备c1-if添加到my-bridge上
ip addr add 172.17.0.2/16 dev c1-if # 为c1-if设置IP地址
ip route add default via 172.17.0.1 # 设置默认网关这样，容器A就可以像跟其他容器通信一样，通过IP地址来通信。
如上图所示，容器A和容器B之间的通信全部由Veth Pair设备完成。
3.5 Overlay模式网络实现
3.5.1 Swarm的相关术语定义
在Swarm模式下，多个Docker容器部署在一个集群上，需要保证容器间的网络连通性。Swarm的网络架构设计包含四层：
集群网络（Cluster Network）：整个集群内的所有节点之间都连接在一个统一的全局的Overlay网络上，这个网络是Swarm管理的，可以看作是独立于具体容器的网络，所有的容器默认都加入到这个网络。
网格网络（Mesh Network）：每个节点之间形成一个虚拟的网络网格，通过独立的IP地址进行通信。
服务网格（Service Mesh）：对于容器服务，部署独立的Sidecar Proxy，Sidecar Proxy按照一定规则控制容器的网络，提高通信效率。
覆盖网络（Overlay Network）：在两个节点之间搭建一个Overlay网络，使得它们可以互相通信。
3.5.2 数据包发送过程
Swarm模式下，容器可以自动加入到Overlay网络，因此不需要手动配置。如下图所示：
容器A、容器B、容器C的IP地址如下：
- A：10.0.1.2
- B：10.0.1.3
- C：10.0.1.4
可以看到，三个容器都加入到了Overlay网络，并且有独立的IP地址。当容器A要跟容器B通信时，它发送的数据包不会经过网关路由器，而是直接发往容器B的IP地址。而容器B接收到数据包后，再转发给容器A。
3.5.3 数据包转发过程
Overlay网络的实现机制主要依赖于IP路由表和隧道技术，容器A要跟容器B通信，它首先会根据自己的IP地址判断应该发送给哪个容器。由于整个Overlay网络是全局共享的，所以路由表里面并没有记录某个容器的IP地址，所以需要借助其他手段进行数据包的转发。
一种比较常用的手段是IPIP隧道技术，即在两个节点之间建立一个IP tunnel，然后容器A发送的数据包会被封装成IP tunnel，通过tunnel传输到容器B。这样，容器B就能接受到这个数据包，进而转发给容器A。
另外，Swarm模式下，部署了Sidecar Proxy，其职责就是拦截发送到某些特殊IP地址的数据包，然后修改数据包的头部信息，使得它们能够正确地被路由到正确的目标。
3.6 Summary
本文总结了容器网络和服务发现两种技术的相关技术要点，分析了常用的网络模式、网络模型和数据包传输过程。对于Bridge模式、Host模式、None模式、container模式、Overlay模式的网络结构以及数据包处理过程进行了详细说明，希望能够帮助读者理解容器网络与服务发现的基本原理，从而更好地应用到日常的开发和运维工作中。