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Kubernetes-网络原理(0) - 网络知识预备

Docker 是“新瓶装旧酒”的产物,依赖于 Linux 内核技术 chroot 、namespace 和 cgroup。本篇先来看 namespace 技术。

Docker 和虚拟机技术一样,从操作系统级上实现了资源的隔离,它本质上是宿主机上的进程(容器进程),所以资源隔离主要就是指进程资源的隔离。实现资源隔离的核心技术就是 Linux namespace。这技术和很多语言的命名空间的设计思想是一致的(如 C++ 的 namespace)。

第零篇的话,我们就来看看最基础的 namespace,和我们后续需要使用的 Tcpdump 这个抓包工具。

NAMESPACE

我们都知道 Docker 的基础是 NAMESPACE,通过NAMESPACE我们做到不同的隔离,因为我们这次只聊网络,那我们来看看NAMESPACE的网络隔离。

  1. 创建一个 Network Namespace

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    ip netns add <new namespace name>

    假如我们创建一个 testnamespace

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    ip netns add test
  2. namespace 操作

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    ip netns exec <you namespace name> <operator>

    我们打开一个 bash 在 testnamespace

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    ip netns exec test bash
    # 查询下网络信息
    ip a

    我们获得一个有趣的结果

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    root@debian:~# ip a
    1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00

    我们默认获得一个回环地址的网卡,并没有启动,那我们让其启动

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    ip netns exec test ip link set dev lo up
    # 再次查看IP
    ip netns exec test ip a

    1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
    valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host
    valid_lft forever preferred_lft forever

    我们就获得一个 IP 地址,这样的话,我们系统内部通讯就有了一个 IP 地址。

  3. Network Namespace 相互通讯
    我们首先在 Namespace 打开一个 Shell

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    ip netns exec test zsh

    然后在里面启动一个HTTP服务

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    echo "Hello world" > index.html ; python -m SimpleHTTPServer 8080

    我们再开启一个新的的 Shell

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    ip netns exec test zsh
    # 尝试访问 8080,得到 hello word 的结果
    ~ curl localhost:8080
    Hello world

网络抓包

我们已经创建了一个虚拟的网络,内部的通讯就是通过这个 localhost 进行通讯。
我们使用 tcpdump 进行网络抓包

  1. 监听 lo 的回环网卡
    tcpdump -i lo

  2. 分析数据包

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    listening on lo, link-type EN10MB (Ethernet)
    ## TCP 链接建立
    # TCP 第一次握手 Client -> Server,Seq = N
    15:03:42.394751 IP localhost.42514 > localhost.http-alt: Flags [S], seq 435521204, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 3638139 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
    # TCP 第二次握手 Server -> Client,ACK = N+1, SEQ = J
    15:03:42.394774 IP localhost.http-alt > localhost.42514: Flags [S.], seq 1254554874, ack 435521205, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 3638139 ecr 3638139,nop,wscale 7], length 0
    # TCP 第三次握手 Client -> Server,Seq = J + 1,这里的ACK = 1 是相对报文的开始
    15:03:42.394792 IP localhost.42514 > localhost.http-alt: Flags [.], ack 1, win 342, options [nop,nop,TS val 3638139 ecr 3638139], length 0
    ## TCP 数据发送
    # 发送HTTP报文 1 - 79 部分
    15:03:42.396258 IP localhost.42514 > localhost.http-alt: Flags [P.], seq 1:79, ack 1, win 342, options [nop,nop,TS val 3638139 ecr 3638139], length 78: HTTP: GET / HTTP/1.1
    # 服务端应答收到
    15:03:42.396372 IP localhost.http-alt > localhost.42514: Flags [.], ack 79, win 342, options [nop,nop,TS val 3638139 ecr 3638139], length 0
    # 客户端发送额外的 18 部分
    15:03:42.396999 IP localhost.http-alt > localhost.42514: Flags [P.], seq 1:18, ack 79, win 342, options [nop,nop,TS val 3638139 ecr 3638139], length 17: HTTP: HTTP/1.0 200 OK
    # 服务端应答收到
    15:03:42.397002 IP localhost.42514 > localhost.http-alt: Flags [.], ack 18, win 342, options [nop,nop,TS val 3638139 ecr 3638139], length 0
    # 客户端发送 Fin + Ack
    15:03:42.398629 IP localhost.42514 > localhost.http-alt: Flags [F.], seq 79, ack 199, win 342, options [nop,nop,TS val 3638140 ecr 3638139], length 0
    # 服务端响应结束
    15:03:42.398639 IP localhost.http-alt > localhost.42514: Flags [.], ack 80, win 342, options [nop,nop,TS val 3638140 ecr 3638140], length 0

镜像准备

因为为了方便我们在容器内调试网络,我使用ubuntu构建一个工具箱的镜像

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docker pull yannxia/ubuntu-with-tcpdump

里面包含了本次实验所需要的所有的网络工具。

How Network Namespace Work

至于 Network namespace 怎么工作的?我们知道对于不同的 Namespace 是相互隔离的,我们需要打通的话,我们需要建立一个 Veth 设备对。我们将 Veth0 放置于某个 Namespace 而将 Veth1 放置于另外一个 Namespace

uUc8U.png

对于 Docker 来说,我们的 Veth 默认还会挂载到 Bridge
uUUkO.png

对于 IPTABLES 工作在 IPV4 和 IPV6 收到包,而收到包是在网卡接收到之后,所以在配置 Iptables 的时候,我们基于 interface 进行配置。

参考

TCP 标志位

序号 TCP 标志位 解释
1 SYN 建立连接
2 FIN 关闭连接
3 ACK 响应
4 PSH 数据传输
5 RST 链接重置
来杯奶茶, 嗝~~~