Linux Namespace浅析

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编者注:Namespace是将内核的全局资源做封装,使得每个Namespace都有一份独立的资源,因此不同的进程在各自的Namespace内对同一种资源的使用不会互相干扰。

目前Linux内核总共支持以下6种Namespace:

  • IPC:隔离System V IPC和POSIX消息队列。
  • Network:隔离网络资源。
  • Mount:隔离文件系统挂载点。
  • PID:隔离进程ID。
  • UTS:隔离主机名和域名。
  • User:隔离用户ID和组ID。

Linux对Namespace的操作,主要是通过clone、setns和unshare这3个系统调用来完成的,clone创建新进程时,接收一个叫flags的参数,这些flag包括CLONE_NEWNS、CLONE_NEWIPC、CLONE_NEWUTS、CLONE_NEWNET(Mount namespace)、CLONE_NEWPIDCLONE_NEWUSER,用于创建新的namespace,这样clone创建出来新进程之后就属于新的namespace了,后续新进程创建的进程默认属于同一namespace。

如果想要给已存在进程设置新的namespace,可通过unshare函数(long unshare(unsigned long flags))完成设置,其入参flags表示新的namespace。当想要给已存在进程设置已存在的namespace,可通过setns函数(int setns(int fd, int nstype))来完成设置,每个进程在procfs目录下存储其相关的namespace信息,可找到已存在的namesapce,然后通过setns设置即可:

[[email protected] ~]# ls -l /proc/10401/ns  总用量 0  lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月  12 11:36 ipc -> ipc:[4026531839]  lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月  12 11:36 mnt -> mnt:[4026531840]  lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月  12 11:36 net -> net:[4026531956]  lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月  12 11:36 pid -> pid:[4026531836]  lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月  12 11:36 user -> user:[4026531837]  lrwxrwxrwx 1 root root 0 1月  12 11:36 uts -> uts:[4026531838]  

上述每个虚拟文件对应该进程所处的namespace,如果其他进程想进入该namespace,open该虚拟文件获取到fd,然后传给setns函数的fd入参即可,注意虚拟文件type和nstype要对应上。

目前Linux内核总共支持以下6种Namespace,分别是IPC、Network、Mount、PID、UTS、User

IPC

IPC也就是进程间通信,Linux下有多种进程间通信,比如socket、共享内存、Posix消息队列和SystemV IPC等,这里的IPC namespace针对的是SystemV IPC和Posix消息队列,其会用标识符表示不同的消息队列,进程间通过找到标识符对应的消息队列来完成通信,IPC namespace做的事情就是相同的标识符在不同namespace上对应不同的消息队列,这样不同namespace的进程无法完成进程间通信。

Network

Network Namespace隔离网络资源,每个Network Namespace都有自己的网络设备、IP地址、路由表、/proc/net目录、端口号等。每个Network Namespace会有一个loopback设备(除此之外不会有任何其他网络设备)。因此用户需要在这里面做自己的网络配置。IP工具已经支持Network Namespace,可以通过它来为新的Network Namespace配置网络功能。

Mount

Mount namesapce用户隔离文件系统挂载点,每个进程能看到的文件系统都记录在/proc/xx/mounts里。在创建了一个新的Mount Namespace后,进程系统对文件系统挂载/卸载的动作就不会影响到其他Namespace。

PID

PID Namespace用于隔离进程PID号,这样一来,不同的Namespace里的进程PID号就可以是一样的了。当创建一个PID Namespace时,第一个进程的PID号是1,也就是init进程。init进程有一些特殊之处,例如init进程需要负责回收所有孤儿进程的资源。另外,发送给init进程的任何信号都会被屏蔽,即使发送的是SIGKILL信号,也就是说,在容器内无法“杀死”init进程。

注意,但是当用ps命令查看系统的进程时,会发现竟然可以看到host的所有进程:

这是因为ps命令是从procfs读取信息的,而procfs并没有得到隔离。虽然能看到这些进程,但由于它们其实是在另一个PID Namespace中,因此无法向这些进程发送信号。

UTS

UTS Namespace用于对主机名和域名进行隔离,也就是uname系统调用使用的结构体structutsname里的nodename和domainname这两个字段,UTS这个名字也是由此而来的。为什么需要uts namespace呢,因为为主机名可以用来代替IP地址,比如局域网通过主机名访问机器。

User

User Namespace用来隔离用户资源,比如一个进程在Namespace里的用户和组ID与它在host里的ID可以不一样,这样可以做到,一个host的普通用户可以在该容器(user namespace)下拥有root权限,但是它的特权被限定在容器内。(容器内的这类root用户,实际上还是有很多特权操作不能执行,基本上如果这个特权操作会影响到其他容器或者host,就不会被允许)

小结

一般namespace都是和cgroup结合来使用的,但是直接操作Namespace和Cgroup并不是很容易,因此docker的出现就显得有必要了,Docker通过Libcontainer来处理这些底层的事情。这样一来,Docker只需要简单地调用Libcontainer的API,就能将完整的容器搭建起来。而作为Docker的用户,就更不用操心这些事情了,只需要通过一两条简单的Docker命令启动容器即可。