基于軟件容器網(wǎng)絡(luò)對(duì)NAT的依賴(lài)以及NAT自身的局限性，網(wǎng)絡(luò)工程師在其基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部署容器時(shí)面臨一些顯著的挑戰(zhàn)，但通過(guò)了解容器主機(jī)如何支持NAT模式可幫助我們避免這些問(wèn)題。

首先，讓我們看看主機(jī)如何創(chuàng)建新的網(wǎng)絡(luò)命名空間(這在概念上類(lèi)似于MPLS/VPN模型中的虛擬路由和轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)例)以及被稱(chēng)為虛擬以太網(wǎng)(vEth)的特殊網(wǎng)絡(luò)接口。vEth接口是用于連接命名空間的一對(duì)端點(diǎn)，主機(jī)將vEth的一端放在默認(rèn)命名空間用于與外部世界通信，另一端放在新創(chuàng)建的命名空間。

默認(rèn)命名空間中的vEth被綁定到橋接，例如Docker中的docker0以及LXC中的lxcbr0。主機(jī)使用Linux中的iptables來(lái)配置NAT以及輕量級(jí)動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DHCP)服務(wù)器來(lái)分配地址，例如dnsmasq。

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規(guī)避NAT

幸運(yùn)的是，我們有技術(shù)可避免NAT。Cohesive Networks公司首席技術(shù)官Chris Swan在2014年Container Camp會(huì)議中談?wù)揇ocker網(wǎng)絡(luò)時(shí)將其容器網(wǎng)絡(luò)哲學(xué)恰當(dāng)?shù)乜偨Y(jié)為讓容器成為“網(wǎng)絡(luò)的一等公民”。

我們可以直接連接容器到主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。容器與主機(jī)共享本地區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LAN)，它們從LAN的DHCP服務(wù)器獲取IPv4地址或者使用靜態(tài)機(jī)制。所有4層網(wǎng)絡(luò)端口完全暴露，雖然這種直接的暴露比管理映射端口更好，但維持強(qiáng)大的安全狀態(tài)需要紀(jì)律性。

直接連接到物理接口的一種方法是橋接vEth端點(diǎn)與面向互聯(lián)網(wǎng)的物理接口。不過(guò)，這種方法需要修改物理端口，即移除IP地址并將其分配到橋接接口。

系統(tǒng)管理員可使用混淆命名的“macvlan”網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型來(lái)連接到物理接口，而不需要使用vEth網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型。Macvlan類(lèi)型與IEEE 802.1Q VLAN無(wú)關(guān);它可被認(rèn)為復(fù)用多個(gè)MAC地址到單個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的方法。Macvlan類(lèi)型通常部署在橋接模式，實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的橋接，而非傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)橋接—不需要學(xué)習(xí)，生成樹(shù)協(xié)議也沒(méi)必要。

消除NAT的第二種方法是將主機(jī)變成全面的路由器，甚至是使用邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議的路由器。主機(jī)會(huì)將前綴路由到主機(jī)中的容器，每個(gè)容器會(huì)使用全球唯一的IP地址。在即將耗盡的IPv 4地址空間時(shí)代，提供IPv4獨(dú)特地址顯然不太現(xiàn)實(shí)。而IPv6讓這種主機(jī)作為路由器的技術(shù)更加簡(jiǎn)潔;該協(xié)議的稀疏尋址模式允許巨大的易于管理的地址空間。

由于3層網(wǎng)絡(luò)不會(huì)受到洪泛影響，它的使用消除了2層網(wǎng)絡(luò)廣播域中創(chuàng)建的大量故障域。你是否經(jīng)歷過(guò)數(shù)據(jù)中心范圍的網(wǎng)絡(luò)危機(jī)?單個(gè)以太網(wǎng)廣播域幾乎肯定遭遇過(guò)生成樹(shù)故障或者其他洪泛相關(guān)的事件。

挑戰(zhàn)：MAC地址的擴(kuò)散

然而，連接容器接口到外部網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中大量可見(jiàn)的MAC地址。頂級(jí)機(jī)架(ToR)交換機(jī)可支持的MAC地址數(shù)量各有不同，但可處理更多MAC地址的交換機(jī)(而不會(huì)洪泛所有幀)花費(fèi)更多。當(dāng)MAC地址超過(guò)限制時(shí)，主機(jī)中的物理網(wǎng)絡(luò)接口卡也可切換到混雜模式，這會(huì)降低性能。

在直接連接到主機(jī)物理接口的容器之間我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)終端到終端的可達(dá)性，而不會(huì)讓ToR交換機(jī)中2層網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)表受到影響?2014年年底Linux內(nèi)核中推出的ipvlan功能也許是答案。Macvlan驅(qū)動(dòng)程序是使用MAC地址作為解復(fù)用器，而ipvlan驅(qū)動(dòng)程序則是使用3層網(wǎng)絡(luò)(IP)地址。當(dāng)ipvlan驅(qū)動(dòng)程序部署在L3模式時(shí)，容器MAC地址不會(huì)暴露在網(wǎng)絡(luò)。只有物理接口的主機(jī)MAC地址在網(wǎng)絡(luò)中可見(jiàn)。

Linux內(nèi)核3.19中有ipvlan功能，但更穩(wěn)定的功能出現(xiàn)在4.0-rc7及更高版本。在截至寫(xiě)這篇文章的時(shí)候，你將需要編譯定制的內(nèi)核來(lái)嘗試ipvlan，因?yàn)長(zhǎng)inux版本使用更舊更穩(wěn)定的內(nèi)核。

挑戰(zhàn)：大規(guī)模vEth網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型

最后，雖然在大多數(shù)容器環(huán)境可能不太明顯，但為大規(guī)模部署使用vEth網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型可能損害容器網(wǎng)絡(luò)性能。谷歌公司Victor Marmol在其《容器和容器集群中的網(wǎng)絡(luò)》的談話(huà)中，他描述了其公司在使用vEth網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型時(shí)，性能比默認(rèn)命名空間降低了50%。

Macvlan和ipvlan功能消除了vEth網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型所需要的一些處理工作，內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員Eric W.Biederman將macvlan描述為“簡(jiǎn)單、愚蠢和快速”，而在ipvlan驅(qū)動(dòng)程序中性能得到保持，期望在未來(lái)看到macvlan和ipvlan驅(qū)動(dòng)程序在性能方面的改進(jìn)。