探索Docker默认网络NAT映射的分配与过滤行为

本文永久链接 – https://tonybai.com/2024/12/05/exploring-nat-mapping-assignment-and-filtering-behavior-of-docker-default-network

在《WebRTC第一课：网络架构与NAT工作原理》一文中，我们对WebRTC的网路架构进行说明，了解到了NAT的工作原理、RFC 3489对NAT的四种传统分类以及较新的RFC 4787中按分配行为和过滤行为对NAT行为的分类。

不过，“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，在这篇文章中，我打算选取一个具体的NAT实现进行案例研究(Case Study)。在市面上的NAT实现中，Docker容器的网络NAT绝对是最容易获得的一种实现。因此，我们将把Docker默认网络的NAT实现机制作为本篇的研究对象，探索该NAT的分配行为和过滤行为，以确定Docker默认网络的NAT类型。

为了这次探索，我们首选需要构建实验网络环境。

1. 构建实验环境

Docker默认网络使用NAT（网络地址转换）来允许容器访问外部网络。创建容器时，如果未指定网络设置，容器会连接到默认的”bridge”网络，并分配一个内部IP地址（通常在172.17.0.0/16范围内）。Docker在宿主机上创建一个虚拟网桥（docker0），作为容器与外部网络的接口。当容器尝试访问外部网络时，使用源网络地址转换（SNAT），将内部IP和端口转换为宿主机的IP和一个随机高位端口，以便与外部网络通信。Docker通过配置iptables规则来实现这些NAT功能，处理数据包的转发、地址转换和过滤。

基于上述描述，我们用两台主机来构建一个实验环境，拓扑图如下：

从上图可以看到：我们的实验环境有两台主机：192.168.0.124和192.168.0.125。在124上，我们基于docker默认网络启动一个容器，在该容器中放置一个用于NAT打洞验证的nat-hole-puncher程序，该程序通过访问192.168.0.125上的udp-client-addr-display程序在Docker的NAT上留下一个“洞”，然后我们在125上使用nc(natcat)工具验证是否可以通过这个洞向容器发送数据。

我们要确定Docker默认网络NAT的具体类型，需要进行一些测试来观察其行为。具体来说，主要需要关注两个方面：

端口分配行为：观察NAT是如何为内部主机（容器）分配外部端口的。
过滤行为：检查NAT如何处理和过滤入站数据的，是否与源IP、源Port有关等。

接下来，我们来准备一下验证NAT类型需要的两个程序：nat-hole-puncher和udp-client-addr-display。

2. 准备nat-hole-puncher程序和udp-client-addr-display程序

下图描述了nat-hole-puncher、udp-client-addr-display以及nc命令的交互流程：

三者的交互流程在图中已经用文字标记的十分清楚了。

根据该图中的逻辑，我们分别实现一下nat-hole-puncher和udp-client-addr-display。

下面是nat-hole-puncher的源码：

// docker-default-nat/nat-hole-puncher/main.go

package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "strconv"
)

func main() {
    if len(os.Args) != 5 {
        fmt.Println("Usage: nat-hole-puncher <local_ip> <local_port> <target_ip> <target_port>")
        return
    }

    localIP := os.Args[1]
    localPort := os.Args[2]
    targetIP := os.Args[3]
    targetPort := os.Args[4]

    // 向target_ip:target_port发送数据
    err := sendUDPMessage("Hello, World!", localIP, localPort, targetIP+":"+targetPort)
    if err != nil {
        fmt.Println("Error sending message:", err)
        return
    }
    fmt.Println("sending message to", targetIP+":"+targetPort, "ok")

    // 向target_ip:target_port+1发送数据
    p, _ := strconv.Atoi(targetPort)
    nextTargetPort := fmt.Sprintf("%d", p+1)
    err = sendUDPMessage("Hello, World!", localIP, localPort, targetIP+":"+nextTargetPort)
    if err != nil {
        fmt.Println("Error sending message:", err)
        return
    }
    fmt.Println("sending message to", targetIP+":"+nextTargetPort, "ok")

    // 重新监听local addr
    startUDPReceiver(localIP, localPort)
}

func sendUDPMessage(message, localIP, localPort, target string) error {
    addr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", target)
    if err != nil {
        return err
    }

    lport, _ := strconv.Atoi(localPort)
    conn, err := net.DialUDP("udp", &net.UDPAddr{
        IP:   net.ParseIP(localIP),
        Port: lport,
    }, addr)
    if err != nil {
        return err
    }
    defer conn.Close()

    // 发送数据
    _, err = conn.Write([]byte(message))
    if err != nil {
        return err
    }

    return nil
}

func startUDPReceiver(ip, port string) {
    addr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", ip+":"+port)
    if err != nil {
        fmt.Println("Error resolving address:", err)
        return
    }

    conn, err := net.ListenUDP("udp", addr)
    if err != nil {
        fmt.Println("Error listening:", err)
        return
    }
    defer conn.Close()
    fmt.Println("listen address:", ip+":"+port, "ok")

    buf := make([]byte, 1024)
    for {
        n, senderAddr, err := conn.ReadFromUDP(buf)
        if err != nil {
            fmt.Println("Error reading:", err)
            return
        }
        fmt.Printf("Received message: %s from %s\n", string(buf[:n]), senderAddr.String())
    }
}

我们将其编译完打到镜像中去，Makefile和Dockerfile如下：

// docker-default-nat/nat-hole-puncher/Makefile

all:
    CGO_ENABLED=0 GOOS=linux GOARCH=amd64 go build -o nat-hole-puncher main.go
image:
    docker build -t nat-hole-puncher .

// docker-default-nat/nat-hole-puncher/Dockerfile

# 使用 Alpine 作为基础镜像
FROM alpine:latest

# 创建工作目录
WORKDIR /app

# 复制已编译的可执行文件到镜像中
COPY nat-hole-puncher .

# 设置文件权限
RUN chmod +x nat-hole-puncher

执行构建和打镜像命令：

$ make
CGO_ENABLED=0 GOOS=linux GOARCH=amd64 go build -o nat-hole-puncher main.go
$ make image
docker build -t nat-hole-puncher .
[+] Building 0.7s (9/9) FINISHED                                                                                   docker:default
 => [internal] load .dockerignore                                                                                            0.0s
 => => transferring context: 2B                                                                                              0.0s
 => [internal] load build definition from Dockerfile                                                                         0.0s
 => => transferring dockerfile: 265B                                                                                         0.0s
 => [internal] load metadata for docker.io/library/alpine:latest                                                             0.0s
 => [1/4] FROM docker.io/library/alpine:latest                                                                               0.0s
 => [internal] load build context                                                                                            0.0s
 => => transferring context: 2.70MB                                                                                          0.0s
 => CACHED [2/4] WORKDIR /app                                                                                                0.0s
 => [3/4] COPY nat-hole-puncher .                                                                                            0.2s
 => [4/4] RUN chmod +x nat-hole-puncher                                                                                      0.3s
 => exporting to image                                                                                                       0.1s
 => => exporting layers                                                                                                      0.1s
 => => writing image sha256:fec6c105f36b1acce5e3b0a5fb173f3cac5c700c2b07d1dc0422a5917f934530                                 0.0s
 => => naming to docker.io/library/nat-hole-puncher                                                                          0.0s

接下来，我们再来看看udp-client-addr-display源码：

// docker-default-nat/udp-client-addr-display/main.go
package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "strconv"
    "sync"
)

func main() {
    if len(os.Args) != 3 {
        fmt.Println("Usage: udp-client-addr-display <local_ip> <local_port>")
        return
    }

    localIP := os.Args[1]
    localPort := os.Args[2]

    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)

    go func() {
        defer wg.Done()
        startUDPReceiver(localIP, localPort)
    }()

    go func() {
        defer wg.Done()
        p, _ := strconv.Atoi(localPort)
        nextLocalPort := fmt.Sprintf("%d", p+1)
        startUDPReceiver(localIP, nextLocalPort)
    }()

    wg.Wait()
}

func startUDPReceiver(localIP, localPort string) {
    addr, err := net.ResolveUDPAddr("udp", localIP+":"+localPort)
    if err != nil {
        fmt.Println("Error:", err)
        return
    }

    conn, err := net.ListenUDP("udp", addr)
    if err != nil {
        fmt.Println("Error:", err)
        return
    }
    defer conn.Close()

    buf := make([]byte, 1024)

    n, clientAddr, err := conn.ReadFromUDP(buf)
    if err != nil {
        fmt.Println("Error:", err)
        return
    }

    fmt.Printf("Received message: %s from %s\n", string(buf[:n]), clientAddr.String())
}

现在两个程序都就绪了，接下来我们就开始我们的探索。

3. 探索步骤

我们先在192.168.0.125上启动udp-client-addr-display，监听6000和6001 UDP端口：

// 在192.168.0.125上执行

$./udp-client-addr-display 192.168.0.125 6000

然后在192.168.0.124上创建client1容器：

// 在192.168.0.124上执行
$docker run -d --name client1 nat-hole-puncher:latest sleep infinity
eeebc0fbe3c7d56e7f43cd5af19a18e65a703b3f987115c521e81bb8cdc6c0be

获取client1容器的IP地址：

// 在192.168.0.124上执行
$docker inspect -f '{{range .NetworkSettings.Networks}}{{.IPAddress}}{{end}}' client1
172.17.0.5

启动client1容器中的nat-hole-puncher程序，绑定本地5000端口，然后向192.168.0.125的6000和6001端口发送数据包：

$ docker exec client1 /app/nat-hole-puncher 172.17.0.5 5000 192.168.0.125 6000
sending message to 192.168.0.125:6000 ok
sending message to 192.168.0.125:6001 ok
listen address: 172.17.0.5:5000 ok

之后，我们会在125的udp-client-addr-display输出中看到如下结果：

./udp-client-addr-display 192.168.0.125 6000
Received message: Hello, World! from 192.168.0.124:5000
Received message: Hello, World! from 192.168.0.124:5000

通过这个结果我们得到了NAT映射后的源地址和端口：192.168.0.124:5000。

现在我们在125上用nc程序向该映射后的地址发送三个UDP包：

$ echo "hello from 192.168.0.125:6000" | nc -u -p 6000 -v 192.168.0.124 5000
Ncat: Version 7.50 ( https://nmap.org/ncat )
Ncat: Connected to 192.168.0.124:5000.
Ncat: 30 bytes sent, 0 bytes received in 0.01 seconds.

$ echo "hello from 192.168.0.125:6001" | nc -u -p 6001 -v 192.168.0.124 5000
Ncat: Version 7.50 ( https://nmap.org/ncat )
Ncat: Connected to 192.168.0.124:5000.
Ncat: 30 bytes sent, 0 bytes received in 0.01 seconds.

$ echo "hello from 192.168.0.125:6002" | nc -u -p 6002 -v 192.168.0.124 5000
Ncat: Version 7.50 ( https://nmap.org/ncat )
Ncat: Connected to 192.168.0.124:5000.
Ncat: 30 bytes sent, 0 bytes received in 0.01 seconds.

在124上，我们看到nat-hole-puncher程序输出如下结果：

Received message: hello from 192.168.0.125:6000
 from 192.168.0.125:6000
Received message: hello from 192.168.0.125:6001
 from 192.168.0.125:6001

4. 探索后的结论

通过上面的执行步骤以及输出的结果，我们从端口分配行为和过滤行为这两方面分析一下Docker默认网络NAT的行为特征。

首先，我们先来看端口分配行为。

在上面的探索步骤中，我们先后执行了：

172.17.0.5:5000 -> 192.168.0.125:6000
172.17.0.5:5000 -> 192.168.0.125:6001

但从udp-client-addr-display的输出来看：

Received message: Hello, World! from 192.168.0.124:5000
Received message: Hello, World! from 192.168.0.124:5000

Docker默认网络的NAT的端口分配行为肯定不是Address and Port-Dependent Mapping，那么到底是不是Address-Dependent Mapping的呢？你可以将nat-hole-puncher/main.go中的startUDPReceiver调用注释掉，然后再在另外一台机器192.168.0.126上启动一个udp-client-addr-display（监听7000和7001），然后在124上分别执行：

$ docker exec client1 /app/nat-hole-puncher 172.17.0.5 5000 192.168.0.125 6000
sending message to 192.168.0.125:6000 ok
sending message to 192.168.0.125:6001 ok

$ docker exec client1 /app/nat-hole-puncher 172.17.0.4 5000 192.168.0.126 7000
sending message to 192.168.0.126:7000 ok
sending message to 192.168.0.126:7001 ok

而从125和126上的udp-client-addr-display的输出来看：

//125:
./udp-client-addr-display 192.168.0.125 6000
Received message: Hello, World! from 192.168.0.124:5000
Received message: Hello, World! from 192.168.0.124:5000

//126:
 ./udp-client-addr-display 192.168.0.126 7000
Received message: Hello, World! from 192.168.0.124:5000
Received message: Hello, World! from 192.168.0.124:5000

可以看出：即便是target ip不同，只要源ip+port一致，NAT也只会分配同一个端口(这里是5000)，显然在端口分配行为上，Docker默认网络的NAT是Endpoint-Independent Mapping类型的！

我们再来看过滤行为。nat-hole-puncher在NAT打洞后，我们在125上使用nc工具向该“洞”发UDP包，结果是只有nat-hole-puncher发过的目的ip和端口(比如6000和6001)才可以成功将数据通过“洞”发给nat-hole-puncher。换个端口（比如6002），数据都会被丢弃掉。即便我们没有测试从不同IP向“洞”发送udp数据，但上述过滤行为已经足够让我们判定Docker默认网络的NAT过滤行为属于Address and Port-Dependent Filtering。

综合上述两个行为特征，如果按照传统NAT类型划分，Docker默认网络的NAT应该属于端口受限锥形。

5. 小结

本文探讨了Docker默认网络的NAT(网络地址转换)行为。我们通过构建实验环境，使用两个自制程序(nat-hole-puncher和udp-client-addr-display)以及nc工具，来测试和分析Docker NAT的端口分配行为和过滤行为。

主要的探索结论如下：

端口分配行为：Docker默认网络的NAT表现为Endpoint-Independent Mapping类型。即无论目标IP和端口如何变化，只要源IP和端口相同，NAT就会分配相同的外部端口。
过滤行为：Docker默认网络的NAT表现为Address and Port-Dependent Filtering类型。只有之前通信过的特定IP和端口组合才能成功穿透NAT发送数据包到内部网络。

基于这两种行为特征，我们可以得出结论：按照传统NAT类型划分，Docker默认网络的NAT属于端口受限锥形(Port Restricted Cone)NAT。

不过，在真正实践中判断一个NAT的类型无需如此费劲，RFC3489给出检测NAT类型（传统四种类别）的流程图：

github上也有上述算法的开源的实现，比如：pystun3。下面是利用pystun3检测网络NAT类型的方法：

$docker run -it python:3-alpine /bin/sh
/ # pip install pystun3
/ # pystun3
NAT Type: Symmetric NAT
External IP: xxx.xxx.xxx.xxx
External Port: yyyy

注：这里pystun3的检测结果是多层NAT的结果，并非单纯的Docker默认网络的NAT类型。

本文涉及的源码可以在这里下载 – https://github.com/bigwhite/experiments/blob/master/docker-default-nat

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