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容器，网络基础

news 来源：原创 2025/6/20 21:59:51

小结：
1、利用网桥和虚拟网卡
2、利用Veth Pair虚拟设备，一个网卡可以直接出现在另外一个网卡中

一个Linux容器能看见的“网络栈”，实际上是被隔离在它自己的Network Namespace当中的
“网络栈”，就包括了：网卡（Network Interface）、回环设备（Loopback Device）、路由表（Routing Table）和iptables规则。
在Linux中，能够起到虚拟交换机作用的网络设备，是网桥（Bridge）。它是一个工作在数据链路层（Data Link）的设备，主要功能是根据MAC地址学习来将数据包转发到网桥的不同端口（Port）上。

Docker项目会默认在宿主机上创建一个名叫docker0的网桥，凡是连接在docker0网桥上的容器，就可以通过它来进行通信。

Veth Pair的虚拟设备了。

Veth Pair设备的特点是：它被创建出来后，总是以两张虚拟网卡（Veth Peer）的形式成对出现的。并且，从其中一个“网卡”发出的数据包，可以直接出现在与它对应的另一张“网卡”上，哪怕这两个“网卡”在不同的Network Namespace里。

一张网卡是在容器中，另外一张网卡是在宿主机内。\
通过ifconfig命令的输出，你可以看到，nginx-1容器对应的Veth Pair设备，在宿主机上是一张虚拟网卡。它的名字叫作veth9c02e56。并且，通过brctl show的输出，你可以看到这张网卡被“插”在了docker0上。

被限制在Network Namespace里的容器进程，实际上是通过Veth Pair设备+宿主机网桥的方式，实现了跟同其他容器的数据交换

当你遇到容器连不通“外网”的时候，你都应该先试试docker0网桥能不能ping通，然后查看一下跟docker0和Veth Pair设备相关的iptables规则是不是有异常，往往就能够找到问题的答案了
在这里插入图片描述

网卡

学习网卡（网络接口卡，NIC，Network Interface Card）的知识可以帮助理解计算机网络的底层通信机制。以下是网卡学习的核心内容：

1. 什么是网卡

定义: 网卡是计算机与网络之间的接口硬件，用于实现网络通信。网卡负责接收和发送数据，并处理数据的传输协议。
硬件层面:
- 现代计算机的网卡可能是独立的硬件（PCIe 插卡式网卡）或集成在主板上。
- 有线网卡使用 Ethernet（以太网）接口，无线网卡使用 Wi-Fi 模块。

2. 网卡的关键功能

数据封装与解封装:
- 将主机发送的数据封装成网络帧（Ethernet Frame），包括目标地址、源地址和数据。
- 接收来自网络的数据帧，并将其解封装给上层协议（如 IP 层）。
MAC 地址管理:
- 每块网卡都有一个全球唯一的 MAC 地址（Media Access Control Address），用于标识设备。
- MAC 地址由厂商分配，通常是不可修改的（部分设备支持伪装）。
数据传输:
- 处理以太网协议（Ethernet Protocol），发送和接收数据帧。
- 负责传输速率控制（如 10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps 等）。
硬件中断:
- 当有数据帧到达时，网卡通过硬件中断通知操作系统，提高响应速度。
支持多协议:
- 支持不同的网络协议，如 IPv4、IPv6、TCP、UDP 等。

3. 网卡的组成

控制器:
- 网卡的大脑，用于管理数据传输、封装协议和通信。
PHY（物理层芯片）:
- 负责物理信号的收发和编码/解码，连接物理介质（如电缆）。
内存和缓冲区:
- 用于缓存网络数据，避免数据丢失。
接口:
- 常见的有以太网接口（RJ45），无线网卡通过天线实现无线信号传输。
传输介质:
- 有线网卡使用网线（如双绞线、光纤），无线网卡通过无线信号（Wi-Fi）。

4. 网卡的分类

按连接方式分类:
- 有线网卡：通过网线连接（Ethernet）。
- 无线网卡：通过 Wi-Fi 或其他无线技术连接。
按速度分类:
- 百兆网卡（10/100 Mbps）。
- 千兆网卡（1Gbps）。
- 万兆网卡（10Gbps 及以上）。
按接口类型分类:
- PCIe 网卡：插入主板上的 PCIe 插槽。
- USB 网卡：通过 USB 接口扩展网络功能。
- 内嵌网卡：集成在主板上的网卡模块。

5. 网卡驱动

驱动的作用:
- 网卡的硬件功能需要操作系统的驱动程序支持，驱动负责与操作系统和网卡硬件通信。
驱动安装:
- 大多数现代操作系统自带主流网卡的驱动。
- 对于特殊网卡（如高性能或定制网卡），可能需要手动安装厂商提供的驱动程序。

6. 网卡的高级功能

VLAN（虚拟局域网）支持:
- 通过 802.1Q 协议实现虚拟网络隔离。
硬件卸载:
- 例如 TCP/IP 卸载引擎（TOE），将部分数据处理任务从 CPU 转移到网卡，提高性能。
多队列支持:
- 高端网卡支持多队列，用于多核 CPU 并行处理网络数据。
Wake-on-LAN（WOL）:
- 允许通过网络唤醒计算机。
QoS（服务质量）:
- 实现网络带宽的优先级管理，保证关键流量的优先传输。
SR-IOV（单根 I/O 虚拟化）:
- 用于虚拟化环境，为多个虚拟机分配独立的网卡虚拟功能。

7. 网卡性能优化

选择合适的网卡:
- 根据网络需求选择千兆或万兆网卡。
- 在高性能场景下使用支持硬件卸载的网卡。
更新驱动程序:
- 确保网卡驱动程序是最新版本，以获得最佳性能和兼容性。
调整 MTU（最大传输单元）:
- 在支持的情况下，调整 MTU 大小以优化网络吞吐量。
启用多队列和中断平衡:
- 在多核 CPU 系统上，合理配置中断和队列，提高网络性能。

8. 常用学习工具和命令

命令行工具:
- Linux:
  - ifconfig：查看和配置网卡。
  - ip addr：查询网卡 IP 和状态。
  - ethtool：查询和修改网卡设置。
- Windows:
  - ipconfig：查看网络配置。
  - netsh：配置网络适配器。
测试工具:
- ping: 测试网络连通性。
- iperf: 测试网络带宽。
- tcpdump: 抓包工具，查看网卡发送和接收的数据包。

9. 学习方向

基础知识: 理解网卡的原理、组成和工作机制。
操作系统集成: 学习如何配置和管理网卡（如 Linux、Windows 系统）。
网络协议: 深入学习网卡支持的网络协议（如以太网、IP、TCP/UDP）。
硬件性能优化: 学习网卡性能优化技巧，包括硬件卸载、多队列等。
网络抓包和分析: 通过抓包工具（如 Wireshark）分析网卡的数据传输行为。

10. 学习资源

书籍:
- 《计算机网络：自顶向下方法》—— 深入理解网络原理和通信协议。
- 《Linux 网络编程》—— 学习 Linux 下的网卡和网络开发。
在线课程:
- Coursera 或 Udemy 上的计算机网络课程。
实践项目:
- 使用 Raspberry Pi 配置网卡和网络。
- 通过抓包分析网卡数据流量。

通过学习网卡相关知识，可以更好地理解计算机网络的底层运作，同时提升对网络调试和优化的能力。

网桥

它是一个工作在数据链路层（Data Link）的设备，主要功能是根据MAC地址学习来将数据包转发到网桥的不同端口（Port）上。

网桥（Bridge）学习指南

网桥（Bridge）是一种重要的网络设备或功能，用于连接多个网络段，实现局域网（LAN）的扩展和数据转发。理解网桥的工作原理和应用场景，有助于深入了解局域网的组网和通信机制。

1. 什么是网桥

定义: 网桥是工作在数据链路层（OSI 第 2 层）的网络设备或功能，负责将两个或多个网络段连接起来，并根据 MAC 地址转发数据帧。
作用:
1. 在同一个广播域内扩展网络规模。
2. 隔离冲突域，减少冲突，提高网络性能。
设备形式:
- 硬件设备: 独立的网桥设备（传统）。
- 软件网桥: 现代操作系统（如 Linux）中实现的虚拟网桥功能。

2. 网桥的关键功能

数据帧转发:
- 根据目标 MAC 地址，将数据帧转发到正确的网段，避免广播到所有网段。
学习 MAC 地址:
- 网桥通过监听数据帧中的源 MAC 地址，动态学习每个设备的 MAC 地址和其所在网段的对应关系（建立 MAC 地址表）。
隔离冲突域:
- 不同网段的冲突域通过网桥隔离，减少网络中数据碰撞的概率。
广播转发:
- 网桥会转发广播和组播数据帧到所有连接的网段。

3. 网桥的工作原理

网桥的核心工作流程如下：

初始化: 网桥启动后，其 MAC 地址表是空的。
数据帧到达:
- 数据帧到达网桥时，网桥记录数据帧的源 MAC 地址和对应的端口。
- 查看目标 MAC 地址：
  - 如果目标地址在 MAC 地址表中：将数据帧转发到对应端口。
  - 如果目标地址不在表中：将数据帧广播到所有端口（未知单播）。
学习和更新:
- 随着网络通信的进行，网桥不断学习新的 MAC 地址，并动态更新 MAC 地址表。
数据帧转发:
- 网桥根据 MAC 地址表高效转发数据帧。

4. 网桥与交换机的关系

网桥是最早期的二层设备，功能简单，通常只有少量端口。
交换机（Switch） 是网桥的升级版本：
- 更高的端口密度。
- 更高的数据转发速度。
- 支持 VLAN 等高级功能。

尽管交换机功能更强大，但两者在二层转发的原理上是一致的，交换机也被称为多端口网桥。

5. 网桥的分类

本地网桥:
- 连接同一局域网中的不同网段。
远程网桥:
- 通过广域网（WAN）连接远程局域网。
虚拟网桥:
- 软件定义的网桥，常用于虚拟化环境（如 Linux 的 bridge-utils 或 Open vSwitch）。
- 用于连接虚拟机、容器和物理网络。

6. 网桥的应用场景

局域网扩展:
- 将多个网段连接起来，扩大网络规模。
虚拟化环境:
- 在虚拟机或容器环境中，虚拟网桥用于将虚拟机/容器连接到物理网络。
- 例如：Linux 中的 brctl 工具或 Docker 网络驱动中的桥接模式。
工业控制网络:
- 在分布式工业控制网络中，网桥用于连接不同的工业设备网段。
无线接入点（AP）桥接模式:
- 无线路由器或 AP 可以工作在桥接模式，将无线网络与有线网络桥接起来。

7. Linux 中的网桥

Linux 提供了强大的虚拟网桥功能，主要用于虚拟化、容器化场景：

创建网桥:

使用 bridge-utils 工具：

sudo apt install bridge-utils
sudo brctl addbr br0

将网卡加入网桥：
```
sudo brctl addif br0 eth0
```

查看网桥状态:
```
brctl show
```

网络配置文件:

配置网桥网络的 /etc/network/interfaces（基于 Debian/Ubuntu 系统）：

auto br0
iface br0 inet staticaddress 192.168.1.2netmask 255.255.255.0gateway 192.168.1.1bridge_ports eth0

常用工具:
- brctl: 创建和管理网桥。
- ip link: 管理网桥和接口状态。

8. 网桥的优势与限制

优势:

简单有效:
- 无需 IP 地址即可实现二层网络的扩展。
隔离冲突域:
- 减少冲突，提高网络性能。
动态学习:
- 自动维护 MAC 地址表，无需手动配置。

限制:

广播流量问题:
- 网桥不能隔离广播流量，可能导致大型网络中的广播风暴。
无路由功能:
- 仅工作在二层，不支持三层路由。
性能瓶颈:
- 在大型网络中，网桥的性能可能不足，通常需要升级为交换机或路由器。

9. 学习与实践资源

推荐书籍:
- 《计算机网络：自顶向下方法》—— 了解局域网的基本原理和网桥的工作机制。
- 《TCP/IP详解：卷1》—— 深入学习网桥如何处理二层协议。
实验建议:
- 使用虚拟机（如 VMware、VirtualBox）搭建虚拟网桥实验。
- 使用 Linux 环境配置和测试虚拟网桥，搭建容器网络。
在线资源:
- Linux Documentation: Networking Bridge
- 网桥工具 brctl 的官方文档和社区教程。

10. 总结

网桥是计算机网络的基本构建块之一，尽管它在现代网络设备（如交换机）中被广泛取代，但它的原理依然是二层网络通信的基础。在虚拟化和容器化环境中，网桥技术仍然被广泛应用，是网络学习的重要一环。通过理论学习和实践操作（如配置虚拟网桥），可以更好地掌握网桥的原理和应用。

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