Linux namespaces 介绍
namespaces 是Linux内核用来隔离内核资源的方式。通过namespace s可以让一些进程只能看到与自己相关的那部分资源。而其它的进程也只能看到与他们自己相关的资源。这两拨进程根本感知不到对方的存在。而它具体的实现细节是通过Linux namespaces 来实现的。
总结: Linux namespaces 对系统进程进行轻量的虚拟化隔离。
当前Linux内核只支持6中namespaces :
● mnt(mount points, filesystems)
● pid(process)
● net(network stack)
● ipc(System V IPC)
● uts(hostname)
● user(UIDs)
下面是Linux Kernel版本迭代过程中对这6中namespace s的支持情况及对应的flag:
最初打算对Linux内核支持10种namespaces ,但是下面的4中没有实现:
● security namespace
● security keys namespaces
● device namespace
● time namespace
接下来先介绍namespace的API,然后在针对Linux内核现在支持的6中namespace分别进行介绍。
代码测试环境：ubuntu20.04.2，kernel版本：5.4.0-182-generic
Namespaces API 介绍
下面3个系统调用API会被用于namespaces:
● clone(): 用于创建新的进程同时创建新的namespaces。并且新的进程会被attach到新的namespace里面。
int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack,`
` int flags, void *arg,` `...`
`/* pid_t *ptid, void *newtls, pid_t *ctid */` `);`
`● 参数child_func传入子进程运行的程序主函数。
● 参数child_stack传入子进程使用的栈空间
● 参数flags表示使用哪些CLONE_*标志位
● 参数args则可用于传入用户参数
ClONE_NEW* flag有20多被包含在include/linux/sched.h头文件中。
● unshare(): 不会创建新的进程，但是会创建新的namesapce并把当前的进程attach 到该namespace里面。
int unshare(int flags);`
`● setns(): 将进程attach到一个已经存在的namespace 里面。
int setns(int fd, int nstype);`
`● 参数fd表示我们要加入的namespace的文件描述符。如:/proc/[pid]/ns下面对应的文件描述符。
● 参数nstype让调用者可以去检查fd指向的namespace类型是否符合我们实际的要求。如果填0表示不检查。
namespace 实践
为了最好的体验还是在 Linux 内核 3.8 以上的系统上进行（这里使用的 Ubuntu 20.04.2, kernel版本：5.4.0-182-generic）。为什么不用 docker for windows 或者 docker for mac 呢？因为这两个其实还是是在 linux 虚拟机上运行 docker 的，docker for windows 需要将 linux 虚拟机装在开启 hyper-v 的 win10 专业版上，而 docker for mac 使用通过 HyperKit 运行 linux 虚拟机。为了方便，使用 c语言代码 来演示循序渐进的达到 Docker 的体验。
UTS Namespace
UTS namespace 提供了主机名和域名的隔离，这样每一个容器就可以拥有独立的主机名和域名，在网络上可以被视为一个独立的节点而非宿主机上的一个进程。
下面让我们来看下UTS的隔离效果，测试代码如下:
#define _GNU_SOURCE`
`#include <sys/types.h>`
`#include <sys/wait.h>`
`#include <stdio.h>`
`#include <sched.h>`
`#include <signal.h>`
`#include <unistd.h>`
`#define STACK_SIZE (1024*1024)`
`static char child_stack[STACK_SIZE];`
`char*` `const child_args[]` `=` `{`
`"/bin/bash",`
` NULL`
`};`
`int child_main(void* args){`
` printf("in child process!\n");`
` sethostname("changed namespace",` `12);`
` execv(child_args[0], child_args);`
`return` `1;`
`}`
`int main(){`
` printf("program begin: \n");`
` int child_pid = clone(child_main, child_stack + STACK_SIZE, SIGCHLD|CLONE_NEWUTS, NULL);`
` waitpid(child_pid, NULL,` `0);`
` printf("quit\n");`
`return` `0;`
`}`
`主要是main中在调用clone 函数创建新进程及新namespace的时候，传递了CLONE_NEWUTS flag，用于对主机名和域名的隔离。
如果没有gcc需要先安装gcc环境
编译并运行程序会发现主机名发生了变化。
root@double:~# gcc -Wall uts.c -o uts && ./uts`
`program begin: `
`in child process!`
`root@changed name:~# hostname`
`changed name`
`root@changed name:~# exit`
`exit`
`quit每个容器的主机名不同就是使用UTS Namespace机制实现的。
IPC Namespace
容器中进程间的通信采用的方式包括: 信号量，消息队列和共享内存。与虚拟机不同的是，容器内部进程间通信对宿主机来说，实际上是具有相同的PID namespace中的进程间通信，因此需要一个而唯一的标识符来进行区别。申请IPC资源就申请了这样一个全局唯一的32位ID，所以IPC namespace中实际上包含了系统IPC标识符以及实现POSIX消息队列的文件系统。在同一个IPC namespace下的进程彼此可见，而与其他的IPC namespace下的进程则互相不可见。
下面我们来看下IPC的隔离效果，测试代码如下:
#define _GNU_SOURCE`
`#include <sys/types.h>`
`#include <sys/wait.h>`
`#include <stdio.h>`
`#include <sched.h>`
`#include <signal.h>`
`#include <unistd.h>`
`#define STACK_SIZE (1024*1024)`
`static char child_stack[STACK_SIZE];`
`char* const child_args[] = {`
` "/bin/bash",`
` NULL`
`};`
`int child_main(void* args){`
` printf("in child process!\n");`
` sethostname("changed namespace", 12);`
` execv(child_args[0], child_args);`
` return 1;`
`}`
`int main(){`
` printf("program begin: \n");`
` int child_pid = clone(child_main, child_stack + STACK_SIZE, SIGCHLD | CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWIPC, NULL);`
` waitpid(child_pid, NULL, 0);`
` printf("quit\n");`
` return 0;`
`}`
`main函数中调用clone函数创建新进程同时创建新namespaces的时候，传递CLONE_NEWIPCflag, 来实现进程间IPC的隔离。
在运行程序的时候，为了方便测试进程间通信是否被真正的隔离了，
- 首先我们先使用ipcmk -Q命令创建一个queue:
root@double:~# ipcmk -Q`
`Message queue id: 0`
`- 使用ipcs -q查看queue是否创建成功:
root@double:~# ipcs -q`
`------ Message Queues --------`
`key msqid owner perms used-bytes messages `
`0xe594be1e 0 root 644 0 0 `
`- 编译并运行ipc.c代码对IPC进行隔离并进行验证:
root@double:~# gcc -Wall ipc.c -o ipc && ./ipc`
`program begin: `
`in child process!`
`root@changed name:~# ipcs -q`
`------ Message Queues --------`
`key msqid owner perms used-bytes messages `
`从运行的结果来看，已经找不到原先声明的message queue，实现了IPC的隔离。
PID Namespace
PID namespace隔离非常实用，它对进程PID重新标号,即两个不同的namespace下的进程可以拥有同一个PID。每一个PID namespace都有字的计数程序。内核为所有的PID namespace维护了一个树状结构，最顶层的是系统初始时创建的,即root namespace。他创建的新的PID namespace称child namespace。通过这种方式，不同的PID namespace会形成一个等级的体系。所属的父节点可以看到子节点中的进程，并可以通过信号等方式对子节点中的进程产生影响。反过来，子节点不能看到父节点PID namespace中的任何内容。
由此产生如下结论：
● 每个PID namespace中的第一个进程"PID 1"，都会像传统Linux中的init进程一样拥有特权，起特殊作用。
● 一个namespace中的进程，不可能通过kill或ptrace影响父节点或者兄弟节点中的进程，因为其他节点的PID在这个namespace中没有任何意义。
● 如果你在新的PID namespace中重新挂载/proc文件系统，会发现其下只显示同属一个PID namespace中的其他进程。
● 在root namespace中可以看到所有的进程，并且递归包含所有子节点中的进程。
●
下面我们来看下对PID的隔离效果，测试代码如下:
#define _GNU_SOURCE`
`#include <sys/types.h>`
`#include <sys/wait.h>`
`#include <stdio.h>`
`#include <sched.h>`
`#include <signal.h>`
`#include <unistd.h>`
`#define STACK_SIZE (1024*1024)`
`static char child_stack[STACK_SIZE];`
`char* const child_args[] = {`
` "/bin/bash",`
` NULL`
`};`
`int child_main(void* args){`
` printf("in child process!\n");`
` sethostname("changed namespace", 12);`
` execv(child_args[0], child_args);`
` return 1;`
`}`
`int main(){`
` printf("program begin: \n");`
` int child_pid = clone(child_main, child_stack + STACK_SIZE, SIGCHLD | CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWIPC` `| CLONE_NEWPID, NULL);`
` waitpid(child_pid, NULL, 0);`
` printf("quit\n");`
` return 0;`
`}`
`main函数中调用clone函数创建新的进程同时创建新的namespace的时候，传递CLONE_NEWPID flag。来实现对PIDg隔离。
让我们编译并运行代码，看下效果：
root@double:~# vi pid.c`
`root@double:~# gcc -Wall pid.c -o pid && ./pid`
`program begin: `
`in child process!`
`root@changed name:~# echo $$`
`1`
`root@changed name:~# ps aux我们可以看到，子进程的pid是1了，但是，我们会发现，在子进程的shell里输入ps,top等命令，我们还是可以看得到所有进程。说明并没有完全隔离。这是因为，像ps, top这些命令会去读/proc文件系统，所以，因为/proc文件系统在父进程和子进程都是一样的，所以这些命令显示的东西都是一样的。
所以，我们还需要对文件系统进行隔离。
Mount Namespace
Mount namespace通过隔离文件系统挂载点对隔离文件系统提供支持。隔离后，不同的mount namespace中的文件结构发生变化也互不影响。你可以通过/proc/[pid]/mounts查看到所有挂载在当前namesapce中的文件系统，还可以通过/proc/[pid]/mountstats看到mount namespace中文件设备的统计信息，包括挂载的文件名称，文件系统类型，挂载位置等等。
进程在创建mount namespace的时候，会把当前结构复制给新的namespace。 新的namespace中的所有mount操作都影响自身的文件系统，而对外界不会产生任何影响。这样做就严格地实现了隔离。
让我们来对文件系统进行隔离，测试的代码如下:
#define _GNU_SOURCE`
`#include <sys/types.h>`
`#include <sys/wait.h>`
`#include <sys/mount.h>`
`#include <stdio.h>`
`#include <sched.h>`
`#include <signal.h>`
`#include <unistd.h>`
`#define STACK_SIZE (1024 * 1024)`
`// sync primitive`
`int checkpoint[2];`
`static char child_stack[STACK_SIZE];`
`char* const child_args[] = {`
` "/bin/bash",`
` NULL`
`};`
`int child_main(void* arg) {`
` char c;`
` // init sync primitive`
` close(checkpoint[1]);`
` // setup hostname`
` sethostname("changed namespace", 12);`
` // remount "/proc" to get accurate "top" && "ps" output`
` mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);`
` // wait...`
` read(checkpoint[0], &c, 1);`
` execv(child_args[0], child_args);`
` printf("Ooops\n");`
` return 1;`
`}`
`int main() {`
` // init sync primitive`
` pipe(checkpoint);`
` int child_pid = clone(child_main, child_stack+STACK_SIZE,`
` CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWIPC | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | SIGCHLD, NULL);`
` // further init here (nothing yet)`
` // signal "done"`
` close(checkpoint[1]);`
` waitpid(child_pid, NULL, 0);`
` printf("quit!\n");`
` return 0;`
`}`
`main函数中调用clone函数创建新进程同时创建新的namespace时，需要增加CLONE_NEWNS flag。来实现对Mount namespace的隔离。
下面让我们编译并运行下程序来验证是否实现了对文件系统的隔离。
root@double:~# gcc -Wall mntns.c -o mnt && ./mnt`
`root@changed name:~# ps aux`
`USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND`
`root 1 0.0 0.2 9836 3952 pts/2 S 18:08 0:00 /bin/bash`
`root 8 0.0 0.1 11488 3288 pts/2 R+ 18:08 0:00 ps aux`
`上面，我们可以看到只有两个进程 ，而且pid=1的进程是我们的/bin/bash。我们还可以看到/proc目录下也干净了很多：
root@changed name:~# ls /proc`
`1 bus cpuinfo dma filesystems ioports keys kpagecount mdstat mounts partitions scsi stat sysvipc uptime vmstat`
`9 cgroups crypto driver fs irq key-users kpageflags meminfo mtrr pressure self swaps thread-self version zoneinfo`
`acpi cmdline devices execdomains interrupts kallsyms kmsg loadavg misc net sched_debug slabinfo sys timer_list version_signature`
`buddyinfo consoles diskstats fb iomem kcore kpagecgroup locks modules pagetypeinfo schedstat softirqs sysrq-trigger tty vmallocinfo`
`关于mount相关的知识很多。这里就具体的详细介绍了，如果感兴趣可以看下:Mount namespaces and shared subtrees
User Namespace
注意:User namespace是Linux内核(Linux 3.8)最后支持的namespace，所以有的版本的系统内核可能还没有对该namespace支持。
User namespace主要隔离了安全相关的标识符和属性，包括用户ID,用户组ID,root目录等。通俗点就是: 一个普通用户的进程通过clone()创建新的进程在新user namespace中可以拥有不同的用户和用户组。这意味着一个进程在容器外属于一个没有特殊权限的普通用户，但是它创建的容器进程却属于拥有所有权限的超级用户，这个技术为容器提供了极大的自由。
Linux中，特权用户的user ID是0，演示的最终我们将看到user ID非0的进程启动user namespace后user ID可以变为0。使用user namespace的方法和其它的namespace的使用方式没有太大的区别。即调用clone()的时候，需要加入CLONE_NEWUSER标识位。
让我们来看下user namespace的隔离效果，测试代码如下:
#define _GNU_SOURCE`
`#include <stdio.h>`
`#include <stdlib.h>`
`#include <sys/types.h>`
`#include <sys/wait.h>`
`#include <sys/mount.h>`
`#include <sys/capability.h>`
`#include <stdio.h>`
`#include <sched.h>`
`#include <signal.h>`
`#include <unistd.h>`
`#define STACK_SIZE (1024 * 1024)`
`static char container_stack[STACK_SIZE];`
`char* const container_args[] = {`
` "/bin/bash",`
` NULL`
`};`
`int pipefd[2];`
`void set_map(char* file, int inside_id, int outside_id, int len) {`
` FILE* mapfd = fopen(file, "w");`
` if (NULL == mapfd) {`
` perror("open file error");`
` return;`
` }`
` fprintf(mapfd, "%d %d %d", inside_id, outside_id, len);`
` fclose(mapfd);`
`}`
`void set_uid_map(pid_t pid, int inside_id, int outside_id, int len) {`
` char file[256];`
` sprintf(file, "/proc/%d/uid_map", pid);`
` set_map(file, inside_id, outside_id, len);`
`}`
`void set_gid_map(pid_t pid, int inside_id, int outside_id, int len) {`
` char file[256];`
` sprintf(file, "/proc/%d/gid_map", pid);`
` set_map(file, inside_id, outside_id, len);`
`}`
`int container_main(void* arg)`
`{`
` printf("Container [%5d] - inside the container!\n", getpid());`
` printf("Container: eUID = %ld; eGID = %ld, UID=%ld, GID=%ld\n",`
` (long) geteuid(), (long) getegid(), (long) getuid(), (long) getgid());`
` /* 等待父进程通知后再往下执行（进程间的同步） */`
` char ch;`
` close(pipefd[1]);`
` read(pipefd[0], &ch, 1);`
` printf("Container [%5d] - setup hostname!\n", getpid());`
` //set hostname`
` sethostname("container",10);`
` //remount "/proc" to make sure the "top" and "ps" show container's information`
` mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);`
` execv(container_args[0], container_args);`
` printf("Something's wrong!\n");`
` return 1;`
`}`
`int main()`
`{`
` const int gid=getgid(), uid=getuid();`
` printf("Parent: eUID = %ld; eGID = %ld, UID=%ld, GID=%ld\n",`
` (long) geteuid(), (long) getegid(), (long) getuid(), (long) getgid());`
` pipe(pipefd);`
` printf("Parent [%5d] - start a container!\n", getpid());`
` int container_pid = clone(container_main, container_stack+STACK_SIZE, `
` CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | CLONE_NEWUSER | SIGCHLD, NULL);`
` printf("Parent [%5d] - Container [%5d]!\n", getpid(), container_pid);`
` //To map the uid/gid, `
` // we need edit the /proc/PID/uid_map (or /proc/PID/gid_map) in parent`
` //The file format is`
` // ID-inside-ns ID-outside-ns length`
` //if no mapping, `
` // the uid will be taken from /proc/sys/kernel/overflowuid`
` // the gid will be taken from /proc/sys/kernel/overflowgid`
` set_uid_map(container_pid, 0, uid, 1);`
` set_gid_map(container_pid, 0, gid, 1);`
` printf("Parent [%5d] - user/group mapping done!\n", getpid());`
` /* 通知子进程 */`
` close(pipefd[1]);`
` waitpid(container_pid, NULL, 0);`
` printf("Parent - container stopped!\n");`
` return 0;`
`}`
`在编译并执行代码之前，我们先来看下当前的用户uid和gid.(需以普通用户执行)
$ id`
`uid=1000(double) gid=1000(double) groups=1000(double)`
`现在编译并运行我们的代码来验证user namespace是否隔离成功：
注意: 如果编译时如下报错:
$ gcc userns.c -Wall -lcap -o userns && ./userns`
`userns.c:7:10: fatal error: sys/capability.h: No such file or directory`
` 7 | #include <sys/capability.h>`
` | ^~~~~~~~~~~~~~~~~~`
`compilation terminated.则在ubuntu编译则需要安装libcap-dev包,如果在centos上编译则需要安装libcap-devel包。
重新执行
$ gcc userns.c -Wall -lcap -o userns && ./userns`
`Parent: eUID = 1000; eGID = 1000, UID=1000, GID=1000`
`Parent [ 9527] - start a container!`
`Parent [ 9527] - Container [ 9528]!`
`Parent [ 9527] - user/group mapping done!`
`Container [ 1] - inside the container!`
`Container: eUID = 0; eGID = 65534, UID=0, GID=65534`
`Container [ 1] - setup hostname!`
`我们可以看到容器里的用户和命令行提示符是root用户了
root@container:~# id`
`uid=0(root) gid=65534(nogroup) groups=65534(nogroup)`
`Network Namespace
总结
容器的隔离实现基本就是通过Linux内核提供的这6种namespace实现。但是容器依旧没有实现完全的环境隔离。比如: SELinux，Cgroups以及/sys，/proc/sys, /dev/sd*等目录下的资源依据是没有被隔离的。因此我们通常使用的ps， top命令查看到的数据依旧是宿主机的数据。因为它们的数据来源于/proc等目录下的文件。如果想要在可视化的角度来实现这方便的可视化隔离。可以看看之前调研的lxcfs对docker容器隔离。
参考
浅谈 Linux Namespace | xigang's home
Docker基础技术：Linux Namespace（下） | 酷 壳 - CoolShell
http://docs.wixstatic.com/ugd/295986_d73d8d6087ed430c34c21f90b0b607fd.pdf
http://ramirose.wixsite.com/ramirosen
Docker背后的内核知识------Namespace资源隔离_语言 & 开发_孙健波_InfoQ精选文章