CN110995561B - 基于容器技术的虚拟网络数据通信交互方法与系统 - Google Patents

基于容器技术的虚拟网络数据通信交互方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于容器技术的虚拟网络数据通信交互方法与系统。该方法对虚拟网络的docker节点创建网络命名空间，虚拟出docker节点的网卡并配置IP，以实现docker节点间的网络通信；通过对虚拟网络的边界网卡进行处理，将边界节点与主机网卡进行绑定，实现不同主机的docker节点间以及不同类型的节点间的数据连通性。本发明提高了docker节点构建虚拟网络的效率，实现了docker节点间以及docker节点虚拟网络与其他节点类型网络拓扑间的连通性和网络实时交互功能，增加了docker节点仿真虚拟网络实现各类网络行为的可用性，扩大了docker节点虚拟网络的应用领域。

Description

基于容器技术的虚拟网络数据通信交互方法与系统
技术领域
本发明属于网络技术、通信技术领域，具体涉及一种基于容器技术的虚拟网络数据通信交互方法与系统。
背景技术
网络模拟技术自20世纪70年代就被提出并且作为研究热点研究至今，在虚拟网络中使用KVM虚拟机节点类型是一种高度仿真的模拟手段。KVM的虚拟化需要硬件支持，是基于硬件的完全虚拟化。随着虚拟网络规模的不断增大，KVM虚拟机的数量不断增加，使用KVM虚拟机部署虚拟网络对设备的硬件要求变高，且启动时间较慢。我们需要寻找一种轻量级的节点类型，可以模拟仿真出较大规模的虚拟网络、实现虚拟网络所需的各种网络行为与节点间的通信行为，且对设备的计算和内存资源可以灵活的占用。基于以上技术总结出基于容器类型(后称docker)的虚拟网络数据通信技术，在保留网络节点各类网络行为的基础上，docker节点可以共享机器的操作系统内核，只需占用较少的计算和内存资源，能够在较短时间内进行较大规模的网络虚拟化任务。
现今，我们对docker的使用目的是用来简化配置、进行代码流水线管理、提高开发效率、用于隔离应用、整合服务器、进行调试能力测试、构建多用户环境和实现快速部署等，在这种情况下docker容器不会获得一个独立的Network Namespace(网络命名空间)，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。
现有技术不能提供docker之间以及与外界网络进行实时信息交互的解决方案，不能够使基于docker节点类型的虚拟网络进行跨网络的网络仿真模拟任务。
发明内容
本发明针对基于docker节点类型的虚拟网络技术，提供了docker之间以及与外界网络进行实时信息交互的解决方案，能够使基于docker节点类型的虚拟网络进行跨网络的网络仿真模拟任务，并且支持外界网络与基于docker节点类型的虚拟网络中的每一个docker节点进行通信，真正做到了全覆盖docker节点类型虚拟网络。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于容器技术的虚拟网络数据通信交互方法，包括以下步骤：
对虚拟网络的docker节点创建网络命名空间；
在网络命名空间中虚拟出docker节点的网卡并配置IP，以实现docker节点间的网络通信。
进一步地，基于VXLAN封装实现docker原生Overlay网络，实现完全覆盖网络中docker节点间的通信连通。
进一步地，所述docker节点包括docker主机节点、docker交换机节点和docker路由器节点；根据节点子网、路由计算和IP分配，对docker容器节点进行网卡和网卡对的创建，并为docker主机节点和docker路由器节点配置IP，在对应的路由文件中添加相应的路由表；对于docker交换机节点添加相应的网桥。
进一步地，所述为docker主机节点和docker路由器节点配置IP，是利用docker自带的配置IP的方法结合输入文件中的各docker节点IP进行配置；所述在对应的路由文件中添加相应的路由表，是利用docker自带的配置路由信息的方法结合输入文件中的各docker节点的路由信息进行配置，形成各个docker节点的路由表；所述对docker交换机节点添加相应的网桥，是利用docker自带的overlay网桥技术对相应节点建立网桥。
进一步地，该基于容器技术的虚拟网络数据通信交互方法还包括实现不同主机的docker节点间以及不同类型的节点间的网络通信的步骤。
进一步地，通过对虚拟网络的边界网卡进行处理，将边界节点与主机网卡进行绑定，实现不同主机的docker节点间以及不同类型的节点间的数据连通性。
进一步地，所述对虚拟网络的边界网卡进行处理包括：首先需要确定边界网卡信息，然后将边界网卡所属的边界节点进行标记，将边界节点的虚拟网卡与主机数据口的网卡进行Overlay桥接绑定。
一种基于容器技术的虚拟网络数据通信交互系统，其包含由若干docker节点构成的虚拟网络，所述docker节点包含网络命名空间，在网络命名空间中虚拟出docker节点的网卡并配置IP，以实现docker节点间的网络通信。
进一步地，所述虚拟网络包含若干主机，其中至少一台主机中包含若干docker节点，通过对虚拟网络的边界网卡进行处理，将边界节点与主机网卡进行绑定，实现不同主机的docker节点间以及不同类型的节点间的网络通信。
进一步地，所述对虚拟网络的边界网卡进行处理包括：首先需要确定边界网卡信息，然后将边界网卡所属的边界节点进行标记，将边界节点的虚拟网卡与主机数据口的网卡进行Overlay桥接绑定。
本发明的技术关键点在于：
1.适用于docker节点仿真模拟网络中，解决docker节点虚拟网络中的连通性；
2.适用于多台主机构建的虚拟网络中，实现网络拓扑中不同主机以及不同节点类型节点间的数据连通，能够使docker节点真正运用于实时网络模拟中；使用docker节点构建仿真虚拟网络，会减小带宽压力，是一种带宽传输的优化。
本发明的有益效果如下：
本发明可以为docker节点虚拟网络提供连通性技术，降低网络搭建的计算和存储资源成本、降低搭建时间，提高了docker节点构建虚拟网络的效率，并实现了docker节点间以及docker节点虚拟网络与其他节点类型网络拓扑间的连通性和网络实时交互功能。从而增加了docker节点仿真虚拟网络实现各类网络行为的可用性，扩大了docker节点虚拟网络的应用领域。
附图说明
图1是docker容器的结构图。
图2是docker容器的实例图。
图3是由docker容器的三种节点类型组成的一个简单的虚拟网络拓扑，后文实施例中介绍的连通性技术均是基于此网络拓扑。
图4是基于docker节点的虚拟网络的拓扑构建与docker节点间的连通性技术实现的示意图。其中，eth0表示docker节点中的虚拟网卡；veth1表示虚拟网桥中的网卡，是负责连接同一宿主机上不同docker节点的网卡。
图5是基于docker节点的虚拟网络分布在不同主机的docker节点间的连通性技术(基于docker节点与其他节点类型节点间的连通性技术)实现的示意图。其中br0表示docker宿主机的网卡。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
若将docker容器作为一种节点类型用来构建虚拟网络环境，便需要实现主机中多个docker容器节点之间的网络通信，docker容器需要拥有自己的Network Namespace，并对docker容器进行网络配置，使两容器间进行网络通信。当部署docker节点类型在多台主机或实现docker节点与其他类型节点共同构架虚拟网络时，需实现多台主机间docker容器的网络连通。docker容器在拥有自己的Network Namespace后，需对docker容器进行网络配置，使两容器间进行网络通信，基于VXLAN封装实现docker原生Overlay网络，主机网卡接口逻辑上分为多个子接口，每个子接口标识一个VLAN，容器接口直接连接docker主机。
本发明针对docker节点虚拟网络的外界交互需求，以实现docker节点间的网络行为为根本目的，通过对docker节点进行网络配置，使docker节点间进行网络通信，基于VXLAN封装实现docker原生Overlay网络，实现完全覆盖网络中docker节点间的通信连通。该方案能够处理较大规模docker节点的网络拓扑需求，现处理能力为单机(内存200G)2000节点规模的仿真虚拟网络的各种网络行为与实时通信应答。
图1和图2是docker容器的结构图和实例图(来自于docker官网)，容器就是将软件(如图1中的Tomcat、Java、Debian等)打包成标准化单元，以用于开发、交付和部署。容器镜像是轻量的、可执行的独立软件包，包含软件运行所需的所有内容：代码、运行时环境、系统工具、系统库和设置。
Docker镜像是一个特殊的文件系统，除了提供容器运行时所需的程序、库、资源、配置等文件外，还包含了一些为运行时准备的一些配置参数(如匿名卷、环境变量、用户等)。镜像(Image)和容器(Container)的关系，就像是面向对象程序设计中的类和实例一样，镜像是静态的定义，容器是镜像运行时的实体。容器可以被创建、启动、停止、删除、暂停等。
本发明通过对docker容器创建Network Namespace，虚拟出docker节点的网卡并配置自己的IP，以实现虚拟网络节点间的网络通信。通过docker节点类型虚拟网络的配置与任务，生成docker节点类型的仿真虚拟网络并进行网络中常规的网络行为和网络数据流量生成。关键技术主要有：基于docker节点虚拟网络的拓扑构建与容器连通性技术、基于docker节点虚拟网络分布在不同主机的docker节点间的连通性技术(基于docker节点与其他节点类型节点间的连通性技术)。
1.基于docker节点虚拟网络拓扑的连通性构建技术
对于真实网络中的使用的docker容器，通常用来隔离应用、快速环境部署或进行代码的调试与测试等。基于docker节点的虚拟网络中，docker节点的类型包括主机、交换机和路由器，如图3所示。根据系统划分的节点子网、路由计算和IP分配，分别对创建出的docker节点进行网卡和网卡对的创建，并为docker主机节点和路由器节点配置IP，在对应的路由文件中添加相应的路由表；对于docker交换机节点要添加相应的网桥。以此来实现基于docker节点虚拟网络拓扑的连通性构建技术。其中，“网卡对”是指同一服务器内的两个docker间建立的基于docker网卡的匹配设置。
其中，为docker主机节点和路由器节点配置IP，是利用docker自带的配置IP的方法结合输入文件中的各docker节点IP进行配置。在对应的路由文件中添加相应的路由表，是利用docker自带的配置路由信息的方法结合输入文件中的各docker节点的路由信息进行配置形成各个docker节点的路由表。对docker交换机节点添加相应的网桥，是利用docker自带的overlay网桥技术对相应节点建立网桥。
2.基于docker节点虚拟网络的跨主机连通性构建技术(基于docker节点与其他节点类型节点间的连通性技术)
当docker节点虚拟网络拓扑分布在多台主机上或docker节点类型与其他节点类型构成虚拟网络时，除了一台主机上docker节点间需要连通性技术，多台主机上的节点也需要实现连通性技术，这样才能保证整个虚拟网络拓扑的连通性。在实现多台主机间节点的连通性技术时，需要对虚拟拓扑网络的边界网卡进行处理，系统默认虚拟网络节点间的连通数据包从主机的数据口进行通信，将边界节点与主机网卡进行绑定，以实现多台主机docker节点间的数据连通性技术。
其中，边界网卡是指边界节点的网卡；边界节点是指在进行拓扑划分后被断开连接的节点，拓扑划分是指为了满足构建大规模docker虚拟网络的需要，必须将一个网络分割成多个子网以实现多个docker服务器共同搭建的过程；主机网卡是指docker宿主机的物理网卡。
其中，对虚拟拓扑网络的边界网卡进行处理，首先需要确定边界网卡信息，然后将边界网卡所属的边界节点进行标记，将边界节点的虚拟网卡与主机数据口的网卡进行Overlay桥接绑定。
实例一：基于docker节点类型构建仿真虚拟网络，并实现节点间的连通性。
本发明在此实例中的作用是为docker节点虚拟网络节点间信息交互提出解决方案。本发明能够解决docker节点虚拟网络节点间的连通性。
示例：docker节点虚拟网络节点间信息交互功能。
1.将用户输入的配置进行解析，具体配置如表1所示：
表1是系统配置的格式，interface是docker节点边界的描述，其中id代表该节点边界的编号，boundary表示该边界是否是关键边界，如果不是则是0，是的话为1，mac为该边界所对应网卡的mac地址，ip是该边界对应网卡的ip，netmask为子网掩码，gateway为网关。
2.docker网络节点的配置信息如上所示，将形成docker节点虚拟网络，docker节点部署开启后状态如表2所示。
表2的文字主要是展示docker成功启动的相关信息。
3.进入某docker节点内部，进行ping命令的尝试，检测docker节点间的连通性，并查看结果，如表3所示。
表3的文字是进入docker节点后显示的该docker节点的ip分配情况，并且能够进行与其他docker节点的ping操作。
表1.系统配置
Figure BDA0002306396410000061
表2.docker成功启动的相关信息
Figure BDA0002306396410000062
表3.docker节点间的连通性检测结果
Figure BDA0002306396410000071
实例二：docker节点和NS3模拟节点构建虚拟网络，并实现docker节点与NS3模拟节点间的连通性。
本发明在此实例中的作用是为docker节点与其他类型节点共同构建的虚拟网络节点间信息交互提出解决方案。本发明能够解决docker节点与模拟节点间的连通性。
示例：docker节点与其他类型节点共同构建的虚拟网络节点间。
1.docker节点与模拟节点共同构建虚拟网络，其中docker部分节点如表4所示:
表4.docker成功启动的相关信息
Figure BDA0002306396410000081
上表的文字主要是展示docker成功启动的相关信息。
2.进入某docker节点内部，进行ping模拟节点的命令尝试，测试docker节点与模拟节点的连通性，如表5所示。
表5的文字是进入docker节点后显示的该docker节点的ip分配情况，并且能够进行与其他docker节点的ping操作。
经过实验测试，本发明采用双核E5CPU，32G内存服务器能够12分钟内部署512个docker节点，最高单机可以部署2000个docker节点。
本发明的方法与系统除了能够在物理服务器上进行部署外，还能在虚拟机中进行部署与通信。
本发明不仅提供了大规模docker节点的生成依据，并且能够根据Overlay技术使docker服务器内部以及跨主机的通信成为可能。并且，本发明能够为用户提供自主设计大规模网络拓扑结构的功能。
表5.docker节点与模拟节点的连通性测试结果
Figure BDA0002306396410000091
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的原理和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种基于容器技术的虚拟网络数据通信交互方法，其特征在于，包括以下步骤：
对虚拟网络的docker节点创建网络命名空间；
在网络命名空间中虚拟出docker节点的网卡并配置IP，以实现docker节点间的网络通信；
所述docker节点包括docker主机节点、docker交换机节点和docker路由器节点；根据节点子网、路由计算和IP分配，对docker容器节点进行网卡和网卡对的创建，并为docker主机节点和docker路由器节点配置IP，在对应的路由文件中添加相应的路由表；对于docker交换机节点添加相应的网桥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于VXLAN封装实现docker原生Overlay网络，实现完全覆盖网络中docker节点间的通信连通。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述为docker主机节点和docker路由器节点配置IP，是利用docker自带的配置IP的方法结合输入文件中的各docker节点IP进行配置；所述在对应的路由文件中添加相应的路由表，是利用docker自带的配置路由信息的方法结合输入文件中的各docker节点的路由信息进行配置，形成各个docker节点的路由表；所述对docker交换机节点添加相应的网桥，是利用docker自带的overlay网桥技术对相应节点建立网桥。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，还包括实现不同主机的docker节点间以及不同类型的节点间的网络通信的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过对虚拟网络的边界网卡进行处理，将边界节点与主机网卡进行绑定，实现不同主机的docker节点间以及不同类型的节点间的数据连通性。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对虚拟网络的边界网卡进行处理包括：首先需要确定边界网卡信息，然后将边界网卡所属的边界节点进行标记，将边界节点的虚拟网卡与主机数据口的网卡进行Overlay桥接绑定。
7.一种采用权利要求1～6中任一权利要求所述方法的基于容器技术的虚拟网络数据通信交互系统，其特征在于，包含由若干docker节点构成的虚拟网络，所述docker节点包含网络命名空间，在网络命名空间中虚拟出docker节点的网卡并配置IP，以实现docker节点间的网络通信。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述虚拟网络包含若干主机，其中至少一台主机中包含若干docker节点，通过对虚拟网络的边界网卡进行处理，将边界节点与主机网卡进行绑定，实现不同主机的docker节点间以及不同类型的节点间的网络通信。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述对虚拟网络的边界网卡进行处理包括：首先需要确定边界网卡信息，然后将边界网卡所属的边界节点进行标记，将边界节点的虚拟网卡与主机数据口的网卡进行Overlay桥接绑定。
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