namespace为进程创建独立隔离的环境，隔离后的每个namespace看上去像是一个独立的linux系统。
进程结构体中的namespace指针
一个进程可以属于多个namespace，在task_struct中有一个指向namespace结构体的指针nsproxy。
struct nsproxy{
atomic_t count;
struct uts_namspace *uts_ns;
struct ipc_namspace *ipc_ns;
struct mnt_namspace *mnt_ns;
struct pid_namspace *pid_ns_for_children;
struct net *net_ns;
}
如果不指定ns，那么创建进程时会指定一个默认的ns：init_nsproxy
struct nsproxy init_nsproxy = {
.count = ATOMIC_INTI(1),
.uts_ns = &init_uts_ns,
#if defined(CONFIG_POSIX_MQUEUE) || defined(CONFIG_SYSVIPC)
.ipc_ns = &init_ipc_ns,
#endif
.mnt_ns = NULL,
.pid_ns_for_children = &init_pid_ns,
#ifdef CONFIG_NET
.net_ns = &init_net,
#endif
}
namespace相关的系统调用
1. clone()
int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack,
int flags, void *arg, ...
/* pid_t *ptid, void *newtls, pid_t *ctid */ )
创建新的进程，同时创建新的namespace，将新创建的子进程加入到新创建的namespace中。
2. unshare()
int unshare(int flags);
unshare()不会创建新的进程，但会把当前进程加入到新创建的namespace中，
3. setns()
setns是将一个进程加入到已经存在的namespace中。
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。
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。
#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;
}
[root@localhost ~]# 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 0.7 0.0 122804 4100 pts/0 S 13:27 0:00 /bin/bash
root 30 0.0 0.0 151056 1816 pts/0 R+ 13:28 0:00 ps aux
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。
- 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。
#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;
}
[root@localhost ~]# gcc -Wall pid.c -o pid && ./pid
program begin:
in child process!
[root@changed name ~]# ps aux
运行ps aux命令来查看是否实现了PID namespace的隔离；发现还会看到宿主机上的所有的进程。这是由于没有对文件系统进行隔离，ps/top之类的命令调用的是真实系统下的/proc文件内容，看到的自然是所有的进程。
运行下面的mount命令来对/proc 文件系统进行隔离:
root@changed name ~]# mount -t proc proc /proc
[root@changed name ~]# ps uax
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
root 1 0.0 0.0 122804 4172 pts/1 S 20:39 0:00 /bin/bash
root 37 0.0 0.0 5184 340 pts/1 S 20:40 0:00 ./uts
root 38 0.0 0.0 122804 4176 pts/1 S 20:40 0:00 /bin/bash
root 68 0.0 0.0 151056 1816 pts/1 R+ 20:42 0:00 ps uax
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。
#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;
}
[root@localhost ~]# gcc -Wall uts.c -o uts && ./uts
program begin:
in child process!
[root@changed name ~]# exit
exit
quit
[root@localhost ~]#
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。
#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;
}
-
首先我们先使用ipcmk -Q命令创建一个queue:
[root@locahost ~]# ipcmk -Q 消息队列 id：32769 -
使用ipcs -q查看queue是否创建成功:
[root@localhost ~]# ipcs -q --------- 消息队列 ----------- 键 msqid 拥有者 权限 已用字节数 消息 0x6d2ba356 0 root 644 0 0 0xe88b6229 32769 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@localhost~]# gcc -Wall ipc.c -o ipc && ./ipc program begin: in child process! [root@changed name ~]# ipcs -q --------- 消息队列 ----------- 键 msqid 拥有者 权限 已用字节数 消息从运行的结果来看，已经找不到原先声明的message queue，实现了IPC的隔离。
net namespace
Net namespace主要提供关于网络资源的隔离，包括网络设备IPv4和IPv6协议栈，IP路由表，防火墙，/proc/net目录，/sys/class/net目录，端口等等。一个物理的网络设备最多存在一个net namespace中，你可以创建veth pair(虚拟网路设备对:有两端如果有数据从一端传入另一端也能收到，反之亦然)在不同的network namespace间创建通道依次达到通信的目的。
一般情况下，物理网络设备都分配在最初的root namespace中，但是如果你有多块物理网卡，也可以把其中一块或多块分配给新创建的network namespace。需要注意的是，当新创建的network namespace被释放时（所有内部的进程都终止并且namespace文件没有被挂载或打开），在这个namespace中的物理网卡会返回到root namespace而非创建该进程的父进程所在的network namespace。
当我们说到network namespace时，其实我们指的未必是真正的网络隔离，而是把网络独立出来，给外部用户一种透明的感觉，仿佛跟另外一个网络实体在进行通信。为了达到这个目的，容器的经典做法就是创建一个veth pair，一端放置在新的namespace中，通常命名为eth0，一端放在原先的namespace中连接物理网络设备，再通过网桥把别的设备连接进来或者进行路由转发，以此网络实现通信的目的。
也许有读者会好奇，在建立起veth pair之前，新旧namespace该如何通信呢？答案是pipe（管道）。我们以Docker Daemon在启动容器dockerinit的过程为例。Docker Daemon在宿主机上负责创建这个veth pair，通过netlink调用，把一端绑定到docker0网桥上，一端连进新建的network namespace进程中。建立的过程中，Docker Daemon和dockerinit就通过pipe进行通信，当Docker Daemon完成veth-pair的创建之前，dockerinit在管道的另一端循环等待，直到管道另一端传来Docker Daemon关于veth设备的信息，并关闭管道。dockerinit才结束等待的过程，并把它的“eth0”启动起来。
跟其他namespace类似，对network namespace的使用其实就是在创建的时候添加CLONE_NEWNET标识位。也可以通过命令行工具ip创建network namespace。在代码中建立和测试network namespace较为复杂，所以下文主要通过ip命令直观的感受整个network namespace网络建立和配置的过程。
首先我们可以创建一个命名为test_ns的network namespace:
root@localhost ~]# ip netns add test_ns
当ip命令工具创建一个network namespace时，会默认创建一个回环设备（loopback interface：lo），并在/var/run/netns目录下绑定一个挂载点，这就保证了就算network namespace中没有进程在运行也不会被释放，也给系统管理员对新创建的network namespace进行配置提供了充足的时间。
通过ip netns exec命令可以在新创建的network namespace下运行网络管理命令。
[root@localhost ~]# ip netns exec test_ns ip link list
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
上面的命令为我们展示了新建的namespace下可见的网络链接，可以看到状态是DOWN,需要再通过命令去启动。可以看到，此时执行ping命令是无效的。
[root@localhost ~]# ip netns exec test_ns ping 127.0.01
connect: 网络不可达
启动命令如下，可以看到启动后再测试就可以ping通。
[root@localhost ~]# ip netns exec test_ns ip link set dev lo up
[root@localhost ~]# ip netns exec test_ns ip link list
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT qlen 1
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
[root@localhost ~]# ip netns exec test_ns ping 127.0.0.1
PING 127.0.0.1 (127.0.0.1) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.087 ms
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.060 ms
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.062 ms
这样只是启动了本地的回环，要实现与外部namespace进行通信还需要再建一个网络设备对，命令如下。
[root@localhost ~]# ip link add veth0 type veth peer name veth1
[root@localhost ~]# ip link set veth1 netns test_ns
[root@localhost ~]# ip netns exec test_ns ifconfig veth1 10.1.1.1/24 up
[root@localhost ~]# ifconfig veth0 10.1.1.2/24 up
- 第一条命令创建了一个网络设备对，所有发送到veth0的包veth1也能接收到，反之亦然
- 第二条命令则是把veth1这一端分配到test_ns这个network namespace。
- 第三、第四条命令分别给test_ns内部和外部的网络设备配置IP，veth1的IP为10.1.1.1，veth0的IP为10.1.1.2。
此时两边就可以互相连通了，效果如下。
root@localhost ~]# ping 10.1.1.1
PING 10.1.1.1 (10.1.1.1) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.1.1.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.038 ms
64 bytes from 10.1.1.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.057 ms
^C
--- 10.1.1.1 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 999ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.038/0.047/0.057/0.011 ms
[root@localhost ~]# ip netns exec test_ns ping 10.1.1.2
PING 10.1.1.2 (10.1.1.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.1.1.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.048 ms
64 bytes from 10.1.1.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.060 ms
^C
--- 10.1.1.2 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 999ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.048/0.054/0.060/0.006 ms
删除net namespace:
[root@localhost ~]# ip netns delete test_ns
user namespace
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。
#define _GNU_SOURCE
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <sched.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/capability.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 program!\n");
cap_t caps;
printf("eUID = %ld; eGID = %ld;", (long)geteuid(), (long)getegid());
caps = cap_get_proc();
printf("capabilities: %s\n", cap_to_text(caps, NULL));
execv(child_args[0], child_args);
return 1;
}
# 在编译并执行代码之前，我们先来看下当前的用户uid和gid.
$ id -u
1000
$ id -g
1000
# 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:
fatal error: sys/capability.h: No such file or directory
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。
# 运行的结果如下:
[root@localhost ~]# gcc userns.c -Wall -lcap -o userns && ./userns
program begin:
in child program!
eUID = 65534; eGID = 65534;capabilities: = cap_chown,cap_dac_override,cap_dac_read_search,cap_fowner,cap_fsetid,cap_kill,cap_setgid,cap_setuid,cap_setpcap,cap_linux_immutable,cap_net_bind_service,cap_net_broadcast,cap_net_admin,cap_net_raw,cap_ipc_lock,cap_ipc_owner,cap_sys_module,cap_sys_rawio,cap_sys_chroot,cap_sys_ptrace,cap_sys_pacct,cap_sys_admin,cap_sys_boot,cap_sys_nice,cap_sys_resource,cap_sys_time,cap_sys_tty_config,cap_mknod,cap_lease,cap_audit_write,cap_audit_control,cap_setfcap,cap_mac_override,cap_mac_admin,cap_syslog,cap_wake_alarm,cap_block_suspend,37+ep
- user namespace被创建后，第一个进程被赋予了该namespace中的全部权限，这样这个init进程就可以完成所有必要的初始化工作，而不会因权限不足而出现错误。
- 我们看到namespace内部看到的UID和GID已经与外部不同了，默认显示为65534，表示尚未与外部namespace用户映射。我们需要对user namespace内部的这个初始user和其外部namespace某个用户建立映射，这样可以保证当涉及到一些对外部namespace的操作时，系统可以检验其权限（比如发送一个信号或操作某个文件）。同样用户组也要建立映射。
- 还有一点虽然不能从输出中看出来，但是值得注意。用户在新namespace中有全部权限，但是他在创建他的父namespace中不含任何权限。就算调用和创建他的进程有全部权限也是如此。所以哪怕是root用户调用了clone()在user namespace中创建出的新用户在外部也没有任何权限。
- 最后，user namespace的创建其实是一个层层嵌套的树状结构。最上层的根节点就是root namespace，新创建的每个user namespace都有一个父节点user namespace以及零个或多个子节点user namespace，这一点与PID namespace非常相似。
接下来我们就要进行用户绑定操作，通过在/proc/[pid]/uid_map和/proc/[pid]/gid_map两个文件中写入对应的绑定信息可以实现这一点，格式：ID-inside-ns ID-outside-ns length
写这两个文件需要注意以下几点。
- 两个文件只允许由拥有该user namespace中CAP_SETUID权限的进程写入一次，不允许修改。
- 写入的进程必须是该user namespace的父namespace或者子namespace。
- 第一个字段ID-inside-ns表示新建的user namespace中对应的user/group ID，第二个字段ID-outside-ns表示namespace外部映射的user/group ID。最后一个字段表示映射范围，通常填1，表示只映射一个，如果填大于1的值，则按顺序建立一一映射。
明白了上述原理，我们再次修改代码，添加设置uid和guid的函数。测试的代码如下:
#define _GNU_SOURCE
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <sched.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/capability.h>
#define STACK_SIZE (1024 * 1024)
static char child_stack[STACK_SIZE];
char* const child_args[] = {
"/bin/bash",
NULL
};
void set_uid_map(pid_t pid, int inside_id, int outside_id, int length) {
char path[256];
sprintf(path, "/proc/%d/uid_map", getpid());
FILE* uid_map = fopen(path, "w");
fprintf(uid_map, "%d %d %d", inside_id, outside_id, length);
fclose(uid_map);
}
void set_gid_map(pid_t pid, int inside_id, int outside_id, int length) {
char path[256];
sprintf(path, "/proc/%d/gid_map", getpid());
FILE* gid_map = fopen(path, "w");
fprintf(gid_map, "%d %d %d", inside_id, outside_id, length);
fclose(gid_map);
}
int child_main(void* args) {
printf("in child program!\n");
cap_t caps;
set_uid_map(getpid(), 0, 1000, 1);
set_gid_map(getpid(), 0, 1000, 1);
printf("eUID = %ld; eGID = %ld;", (long)geteuid(), (long)getegid());
caps = cap_get_proc();
printf("capabilities: %s\n", cap_to_text(caps, NULL));
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_NEWUSER, NULL);
waitpid(child_pid, NULL, 0);
printf("quit\n");
return 0;
}
编译后即可看到user已经变成了root。
$ gcc userns.c -Wall -lcap -o userns && ./userns
program begin:
in child program!
eUID = 0; eGID = 0;capabilities: = cap_chown,cap_dac_override,cap_dac_read_search,cap_fowner,cap_fsetid,cap_kill,cap_setgid,cap_setuid,cap_setpcap,cap_linux_immutable,cap_net_bind_service,cap_net_broadcast,cap_net_admin,cap_net_raw,cap_ipc_lock,cap_ipc_owner,cap_sys_module,cap_sys_rawio,cap_sys_chroot,cap_sys_ptrace,cap_sys_pacct,cap_sys_admin,cap_sys_boot,cap_sys_nice,cap_sys_resource,cap_sys_time,cap_sys_tty_config,cap_mknod,cap_lease,cap_audit_write,cap_audit_control,cap_setfcap,cap_mac_override,cap_mac_admin,cap_syslog,cap_wake_alarm,cap_block_suspend,37+ep
至此，你就已经完成了绑定的工作，可以看到演示全程都是在普通用户下执行的。最终实现了在user namespace中成为了root而对应到外面的是一个uid为1000的普通用户。
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。
参考
https://xigang.github.io/2018/10/14/namespace-md/