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Docker容器的虚拟化网络_docker虚拟机组网
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1 虚拟化网络
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Linux内核支持六种名称空间，只要在用户空间有相应的客户端工具，都可以对对应的名称空间进行操作。
- 主机名和域名的叫：UTS
- 用户的叫：USER
- 挂载文件系统的：Mount
- 进程间通信的：IPC
- 进程ID的：Pid
- 网络的：Net
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网络作为docker容器化实现的6个名称空间的其中之一，是必不可少的。其在Linux内核2.6时已经被加载进内核支持了。
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网络名称空间主要用于实现网络设备和协议栈的隔离
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Linux内核支持二层和三层设备的模拟，宿主机的docker0就是用软件来实现的具有交换功能的虚拟二层设备，docker中的网卡设备是成对出现的，好比网线的两头，一头处于docker中，另外一头在docker0桥上，这个使用brctl工具就能实现。
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如上图所示，假如我们的物理机有4块物理网卡，我们要创建4个名称空间，而这些设备是可以单独关联至某个单独的名称空间使用的，把第一块网卡分配给第一个名称空间，第二块分给第二个名称空间，第三块分给第三个名称空间，第四块分给第四个名称空间。此时其它名称空间都是看不见当前所在名称空间的，因为一个设备只能属于一个名称空间。
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这种方式使得每一个名称空间都能配置IP地址，并且与外部网络直接通信，因为它们使用的是物理网卡。
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但如果我们所拥有的名称空间数量超过物理网卡数量呢？此时我们可以使用虚拟网卡设备，用纯软件的方式来模拟一组设备来使用。Linux内核级支持2种级别设备的模拟，一种是二层设备，一种是三层设备。
二层设备(链路层)
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链路层，实现报文转发的设备。利用内核对二层设备的模拟，创建虚拟网卡接口，这种网络接口是成对出现的，模拟为一根网线的两头。其中一头插在主机上，另一头插在交换机上。
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内核原生支持二层虚拟网桥设备，用软件来构建交换机。比如bridge-utils工具的brctl来实现。
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利用软件交换机和软件实现的名称空间，如此就可模拟一个主机连接到交换机中，以实现网络连接的功能。两个名称空间相当于连接到同一台交换机中的两台主机。
三层设备(软件交换机)
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OVS：Open VSwitch 开源的虚拟交换机，能模拟实现高级的三层网络设备如VLAN，VxLAN，GRE等等，它不属于Linux内核本身的模块，因此需要额外安装。它是由思科等众多网络设备生产公司开发的，其功能非常强大。
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SDN：软件定义网络/软件驱动网络，需要在硬件层面上支持虚拟化网络，还需要在每个主机上构建复杂的虚拟化网络，来运行多个虚拟机或者容器。
Linux内核原生支持二层虚拟网桥设备，即用软件虚拟交换机的功能。如下图所示
- 那么此时如果再有一个名称空间，它有创建了一对虚拟网卡，一端连接名称空间，一端连接虚拟交换机，此时就相当于两个名称空间连接到了同一个交换机网络中，此时如果两个名称空间的网卡地址配置在同一网段，那么很显然他们之间是可以互相通信的。如下图所示：
从网络通信的物理设备到网卡都是用纯软件的方式来实现，这种实现方式就叫做虚拟化网络
2 单节点容器间通信
如果在同一个host上的两个namespace需要通信，可以在host上建立虚拟交换机，使用纯软件的方式建立一对网卡，一半在容器上，一半在交换机上。此时只要容器配置同子网的IP地址，即可通信。
这就是单节点上两个容器间的通信方式。单节点上两个容器之间的通信也有一些复杂情况，比如我们期望构建的容器要跨交换机通信呢
我们做两个虚拟交换机，两个交换机上各自连接不同的容器，如上图所示，此时如果要C1和C3通信又该如何实现呢？其实我们可以通过名称空间创建一对网卡，一端连SW1，另一端连SW2，这样一来两个交换机就连起来了，照理说这样一来C1和C3这两个处于不同交换机的容器就可以实现通信了，但是这样一来又存在另一个问题，那就是如果C1和C3在不同网络呢？如果不在同一网络我们就必须要通过路由转发才能使其通信，也就是我们得在两台交换机之间加一个路由器，其实Linux内核本身就是支持路由转发的，只需要我们将路由转发功能打开即可。此时我们可以再启动一个容器，这个容器里面就跑一个内核，并将其转发功能打开，这样一来就模拟了一台路由器，通过这台路由器来实现路由转发。
3 不同节点容器间通信
如上图所示，此时如果C1要与C5进行通信又该如何实现呢？如果我们采用桥接的方式，很容易产生广播风暴，因此，在大规模的虚拟机或容器的场景中，使用桥接的方式无疑是自取灭亡，所以我们不应该使用桥接的方式来实现通信。
如此一来，我们既不能桥接，又需要与外部来实现通信就需要使用以下几种方法
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NAT
如果希望对外通信，则应该使用nat技术而不是桥接。
如果C3和C5通信，C3将网关指向了S1，物理机上打开核心转发功能。报文：C3 -> S1 ->(路由表，转发) -> 外部网络。但是报文无法回来，因为C3是私有地址。因此，在C3的报文离开主机前，将IP转换为S1主机上的IP地址，这就是源地址转换。
如此C5可直接回复给S1。而S1内部的nat表可知道，该报文实际上是属于C3的，因此会自动转发给C3。
上述通信必须经过nat实现，而且两级的nat代理。因为C5可能也是nat内部。因此S1并看不到C5，除非将C5 DNAT发布出去。
因此，比如将C5发布到S2的地址和端口，由S2自动将其请求转换到C5中。
经过SNAT和DNAT转换，效率不高。而且通信的双方并看不到真正的对方。其好处是，网络易于管理。
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叠加网络Overlay Network
这种网络方式不用完全暴露主机，也不用完全隐藏主机。其方式如下
- 多个host，创建虚拟桥，让VM连接到虚拟桥上。
- 在虚拟桥上创建隧道，让C3直接看到C5
- 物理机可直接通信，C3和C5在同一个地址段内。C3先将报文送给桥，而桥知道C5并不在本地，于是将报文通过物理网卡发出去：在使用隧道转发出去前，报文C3|C5再封装一层IP首部：H1|H2
- H2拆开第一层封装，看到C3|C5，于是将报文转发给C5.
上述实现两级的三层封装，使用一个IP承载另一个IP，这就是隧道技术。如此C3和C5就可以直接通信
Overlay Network会将报文进行隧道转发，也就是在报文发出去之前要为其添加一个IP首部，也就是上图的1.1和1.2这部分，这里的1.1是源，1.2是目标，当宿主机2收到报文后解封装发现要找的目标容器是C2，于是把包转发给C2。
4 Docker容器网络
Docker在安装后自动提供3种网络，可以使用docker network ls命令查看
[root@Docker ~]# docker network ls
NETWORK ID NAME DRIVER SCOPE
ee8d79d4ac78 bridge bridge local
f07e7613bacb host host local
d951c3cc12d5 none null local
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Docker使用Linux桥接，在宿主机虚拟一个Docker容器网桥(docker0)，Docker启动一个容器时会根据Docker网桥的网段分配给容器一个IP地址，称为Container-IP，同时Docker网桥是每个容器的默认网关。因为在同一宿主机内的容器都接入同一个网桥，这样容器之间就能够通过容器的Container-IP直接通信。
5 Docker的四种网络模式
| 网络模式 | 配置 | 说明 |
|---|---|---|
| host | –network host | 容器和宿主机共享Network namespace |
| container | –network container:NAME_OR_ID | 容器和另外一个容器共享Network namespace |
| none | –network none | 容器有独立的Network namespace， 但并没有对其进行任何网络设置， 如分配veth pair 和网桥连接，配置IP等 |
| bridge | –network bridge | 默认模式 |
Docker创建容器时，使用选项–network来指定使用哪种网络模型。默认default为bridge （docker0）
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Closed container：只有loop接口，就是none类型
-
Bridged container A：bridge网络类型，容器网络接入到docker0网络上
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joined container A：container网络类型，让两个容器有一部分名称空间隔离（User、Mount、Pid），这样两个容器间就拥有同一个网络接口，网络协议栈
-
Open container：开放式网络：直接共享物理机的三个名称空间（UTS、IPC、Net），世界使用物理主机的网卡通信，赋予容器管理物理主机网络的特权，也就是host网络类型
5.1 host模式
- Host 模式并没有为容器创建一个隔离的网络环境。而之所以称之为host模式，是因为该模式下的 Docker 容器会和 host 宿主机共享同一个网络 namespace，故 Docker Container可以和宿主机一样，使用宿主机的eth0，实现和外界的通信。换言之，Docker Container的 IP 地址即为宿主机 eth0 的 IP 地址。其特点包括：
- 这种模式下的容器没有隔离的 network namespace
- 容器的 IP 地址同 Docker host 的 IP 地址
- 需要注意容器中服务的端口号不能与 Docker host 上已经使用的端口号相冲突
- host 模式能够和其它模式共存
- 使用host模式的容器可以直接使用宿主机的IP地址与外界通信，容器内部的服务端口也可以使用宿主机的端口，不需要进行NAT，host最大的优势就是网络性能比较好，但是docker host上已经使用的端口就不能再用了，网络的隔离性不好
//示例 [root@Docker ~]# docker images REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE zhaojie10/nginx v1.20.2 6f5b02e61ad4 18 hours ago 549MB centos latest 5d0da3dc9764 2 months ago 231MB [root@Docker ~]# ip a 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000 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 2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000 link/ether 00:0c:29:1b:44:be brd ff:ff:ff:ff:ff:ff inet 192.168.25.148/24 brd 192.168.25.255 scope global dynamic noprefixroute ens33 valid_lft 1163sec preferred_lft 1163sec inet6 fe80::2e0f:34ad:7328:bbf9/64 scope link noprefixroute valid_lft forever preferred_lft forever 3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default link/ether 02:42:30:6d:78:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff inet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0 valid_lft forever preferred_lft forever [root@Docker ~]# docker run -it --network host --rm --name nginx 6f5b02e61ad4 /bin/sh sh-4.4# ip a 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000 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 2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000 link/ether 00:0c:29:1b:44:be brd ff:ff:ff:ff:ff:ff inet 192.168.25.148/24 brd 192.168.25.255 scope global dynamic noprefixroute ens33 valid_lft 1796sec preferred_lft 1796sec inet6 fe80::2e0f:34ad:7328:bbf9/64 scope link noprefixroute valid_lft forever preferred_lft forever 3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default link/ether 02:42:30:6d:78:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff inet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0 valid_lft forever preferred_lft forever
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5.2 container模式
- 这个模式指定新创建的容器和已经存在的一个容器共享一个 Network Namespace，而不是和宿主机共享。新创建的容器不会创建自己的网卡，配置自己的 IP，而是和一个指定的容器共享 IP、端口范围等。同样，两个容器除了网络方面，其他的如文件系统、进程列表等还是隔离的。两个容器的进程可以通过 lo 网卡设备通信。
- Container 网络模式是 Docker 中一种较为特别的网络的模式。处于这个模式下的 Docker 容器会共享其他容器的网络环境，因此，至少这两个容器之间不存在网络隔离，而这两个容器又与宿主机以及除此之外其他的容器存在网络隔离。
//示例 [root@Docker ~]# docker images REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE zhaojie10/nginx v1.20.2 6f5b02e61ad4 18 hours ago 549MB centos latest 5d0da3dc9764 2 months ago 231MB [root@Docker ~]# docker run -it --rm --name nginx 6f5b02e61ad4 /bin/sh sh-4.4# ip a 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000 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 4: eth0@if5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default link/ether 02:42:ac:11:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0 inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0 valid_lft forever preferred_lft forever [root@Docker ~]# docker ps #重新打开一个新的终端 CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES d964b9adf5fe 6f5b02e61ad4 "/bin/sh" 39 seconds ago Up 37 seconds nginx [root@Docker ~]# docker run -it --rm --name centos --network container:d964b9adf5fe 5d0da3dc9764 #创建新容器指定网络使用container模式 [root@d964b9adf5fe /]# ip a 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000 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 4: eth0@if5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default link/ether 02:42:ac:11:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0 inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0 valid_lft forever preferred_lft forever
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5.3 none模式
使用none模式，Docker容器拥有自己的Network Namespace，但是，并不为Docker容器进行任何网络配置。也就是说，这个Docker容器没有网卡、IP、路由等信息。需要我们自己为Docker容器添加网卡、配置IP等。
这种网络模式下容器只有lo回环网络，没有其他网卡。none模式可以在容器创建时通过–network none来指定。这种类型的网络没有办法联网，封闭的网络能很好的保证容器的安全性。
应用场景：
- 启动一个容器处理数据，比如转换数据格式
- 一些后台的计算和处理任务
//示例
[root@Docker ~]# docker images
REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE
zhaojie10/nginx v1.20.2 6f5b02e61ad4 19 hours ago 549MB
centos latest 5d0da3dc9764 2 months ago 231MB
[root@Docker ~]# docker run -it --rm --name nginx --network none 6f5b02e61ad4 /bin/bash
[root@2c3fe7cd5a0b /]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
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5.4 bridge模式
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bridge模式是docker的默认网络模式，不写
–network参数，就是bridge模式。使用docker run -p时，docker实际是在iptables做了DNAT规则，实现端口转发功能。可以使用iptables -t nat -vnL查看。 -
当Docker进程启动时，会在主机上创建一个名为docker0的虚拟网桥，此主机上启动的Docker容器会连接到这个虚拟网桥上。虚拟网桥的工作方式和物理交换机类似，这样主机上的所有容器就通过交换机连在了一个二层网络中。
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从Docker0子网中分配一个IP给容器使用，并设置docker0的IP地址为容器的默认网关。在主机上创建一对虚拟网卡veth pair设备，Docker将veth pair设备的一端放在新创建的容器中，并命名为eth0（容器的网卡），另一端放在主机中，以vethxxx这样类似的名字命名，并将这个网络设备加入到docker0网桥中。可以通过
brctl show命令查看。
bridge模式如下图所示
Docker网桥是宿主机虚拟出来的，并不是真实存在的网络设备，外部网络是无法寻址到的，这也意味着外部网络无法通过直接Container-IP访问到容器。如果容器希望外部访问能够访问到，可以通过映射容器端口到宿主主机（端口映射），即docker run创建容器时候通过 -p 或 -P 参数来启用，访问容器的时候就通过[宿主机IP]:[容器端口]访问容器。
//示例 [root@Docker ~]# docker images REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE zhaojie10/nginx v1.20.2 6f5b02e61ad4 19 hours ago 549MB centos latest 5d0da3dc9764 2 months ago 231MB [root@Docker ~]# ip a 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000 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 2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000 link/ether 00:0c:29:1b:44:be brd ff:ff:ff:ff:ff:ff inet 192.168.25.148/24 brd 192.168.25.255 scope global dynamic noprefixroute ens33 valid_lft 1309sec preferred_lft 1309sec inet6 fe80::2e0f:34ad:7328:bbf9/64 scope link noprefixroute valid_lft forever preferred_lft forever 3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default link/ether 02:42:30:6d:78:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff inet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0 valid_lft forever preferred_lft forever inet6 fe80::42:30ff:fe6d:7803/64 scope link valid_lft forever preferred_lft forever [root@Docker ~]# docker run -it --rm --name nginx 6f5b02e61ad4 /bin/bash #我这里是没有指定网络类型默认就是使用的bridge模式 [root@a65e5aa2362c /]# ip a 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000 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 6: eth0@if7: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default link/ether 02:42:ac:11:00:02 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0 inet 172.17.0.2/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0 valid_lft forever preferred_lft forever [root@Docker ~]# docker run -it --rm --name centos -p 8080:80 5d0da3dc9764 [root@2ddc151d2030 /]# ip a 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000 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 10: eth0@if11: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default link/ether 02:42:ac:11:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0 inet 172.17.0.3/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0 valid_lft forever preferred_lft forever [root@Docker ~]# ss -antl State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port Process LISTEN 0 128 0.0.0.0:8080 0.0.0.0:* LISTEN 0 128 0.0.0.0:22 0.0.0.0:* LISTEN 0 128 [::]:8080 [::]:* LISTEN 0 128 [::]:22 [::]:* [root@Docker ~]# iptables -t nat -vnL ...... Chain DOCKER (2 references) pkts bytes target prot opt in out source destination 0 0 RETURN all -- docker0 * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 0 0 DNAT tcp -- !docker0 * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 tcp dpt:8080 to:172.17.0.3:80 [root@Docker ~]# docker network inspect bridge #查看bridge网络的详细配置 [ { "Name": "bridge", "Id": "ee8d79d4ac782949ebfcd7c19baa710bcfa7587c662a82b97a772463b5ba3590", "Created": "2021-12-03T04:03:23.448080844-05:00", "Scope": "local", "Driver": "bridge", "EnableIPv6": false, "IPAM": { "Driver": "default", "Options": null, "Config": [ { "Subnet": "172.17.0.0/16", "Gateway": "172.17.0.1" } ] }, "Internal": false, "Attachable": false, "Ingress": false, "ConfigFrom": { "Network": "" }, "ConfigOnly": false, "Containers": { "2ddc151d20308ee1a6f41ea2811e18708503596924db8c5185bd3f6f020b8afe": { "Name": "centos", "EndpointID": "0f82b0f327236a5f4a763de8c653a0b6bb971d0b0deb12f67e9b24261d78c07e", "MacAddress": "02:42:ac:11:00:03", "IPv4Address": "172.17.0.3/16", "IPv6Address": "" }, "a65e5aa2362cb6cf2b22d1fd756855832057b27061a0a3f769cfd5903d8dd506": { "Name": "nginx", "EndpointID": "7899c74a02bfc07866268ea3b4a49d2d7984b3eff1e9f62c1ac1c0303de71c87", "MacAddress": "02:42:ac:11:00:02", "IPv4Address": "172.17.0.2/16", "IPv6Address": "" } }, "Options": { "com.docker.network.bridge.default_bridge": "true", "com.docker.network.bridge.enable_icc": "true", "com.docker.network.bridge.enable_ip_masquerade": "true", "com.docker.network.bridge.host_binding_ipv4": "0.0.0.0", "com.docker.network.bridge.name": "docker0", "com.docker.network.driver.mtu": "1500" }, "Labels": {} } ] [root@Docker ~]# yum -y install epel-release [root@Docker ~]# yum install bridge-utils [root@Docker ~]# brctl show bridge name bridge id STP enabled interfaces docker0 8000.0242306d7803 no veth3c0bcb5 veth5a42188
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