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57 | Namespace技术：内部创业公司应该独立运营
上一节我们讲了Docker的基本原理，今天我们来看一下，“看起来隔离的”技术namespace在内核里面是如何工作的。
既然容器是一种类似公司内部创业的技术，我们可以设想一下，如果一个创新项目要独立运营，应该成立哪些看起来独立的组织和部门呢？
首先是用户管理，咱们这个小分队应该有自己独立的用户和组管理体系，公司里面并不是任何人都知道我们在做什么。
其次是项目管理，咱们应该有自己独立的项目管理体系，不能按照大公司的来。
然后是档案管理，咱们这个创新项目的资料一定要保密，要不然创意让人家偷走了可不好。
最后就是合作部，咱们这个小分队还是要和公司其他部门或者其他公司合作的，所以需要一个外向的人来干这件事情。
对应到容器技术，为了隔离不同类型的资源，Linux内核里面实现了以下几种不同类型的namespace。
- UTS，对应的宏为CLONE_NEWUTS，表示不同的namespace可以配置不同的hostname。
- User，对应的宏为CLONE_NEWUSER，表示不同的namespace可以配置不同的用户和组。
- Mount，对应的宏为CLONE_NEWNS，表示不同的namespace的文件系统挂载点是隔离的
- PID，对应的宏为CLONE_NEWPID，表示不同的namespace有完全独立的pid，也即一个namespace的进程和另一个namespace的进程，pid可以是一样的，但是代表不同的进程。
- Network，对应的宏为CLONE_NEWNET，表示不同的namespace有独立的网络协议栈。
还记得咱们启动的那个容器吗？
# docker ps
CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES
f604f0e34bc2 testnginx:1 "/bin/sh -c 'nginx -…" 17 hours ago Up 17 hours 0.0.0.0:8081->80/tcp youthful_torvalds
我们可以看这个容器对应的entrypoint的pid。通过docker inspect命令，可以看到，进程号为58212。
[root@deployer ~]# docker inspect f604f0e34bc2
[
{
"Id": "f604f0e34bc263bc32ba683d97a1db2a65de42ab052da16df3c7811ad07f0dc3",
"Created": "2019-07-15T17:43:44.158300531Z",
"Path": "/bin/sh",
"Args": [
"-c",
"nginx -g \"daemon off;\""
],
"State": {
"Status": "running",
"Running": true,
"Pid": 58212,
"ExitCode": 0,
"StartedAt": "2019-07-15T17:43:44.651756682Z",
"FinishedAt": "0001-01-01T00:00:00Z"
},
......
"Name": "/youthful_torvalds",
"RestartCount": 0,
"Driver": "overlay2",
"Platform": "linux",
"HostConfig": {
"NetworkMode": "default",
"PortBindings": {
"80/tcp": [
{
"HostIp": "",
"HostPort": "8081"
}
]
},
......
},
"Config": {
"Hostname": "f604f0e34bc2",
"ExposedPorts": {
"80/tcp": {}
},
"Image": "testnginx:1",
"Entrypoint": [
"/bin/sh",
"-c",
"nginx -g \"daemon off;\""
],
},
"NetworkSettings": {
"Bridge": "",
"SandboxID": "7fd3eb469578903b66687090e512958658ae28d17bce1a7cee2da3148d1dfad4",
"Ports": {
"80/tcp": [
{
"HostIp": "0.0.0.0",
"HostPort": "8081"
}
]
},
"Gateway": "172.17.0.1",
"IPAddress": "172.17.0.3",
"IPPrefixLen": 16,
"MacAddress": "02:42:ac:11:00:03",
"Networks": {
"bridge": {
"NetworkID": "c8eef1603afb399bf17af154be202fd1e543d3772cc83ef4a1ca3f97b8bd6eda",
"EndpointID": "8d9bb18ca57889112e758ede193d2cfb45cbf794c9d952819763c08f8545da46",
"Gateway": "172.17.0.1",
"IPAddress": "172.17.0.3",
"IPPrefixLen": 16,
"MacAddress": "02:42:ac:11:00:03",
}
}
}
}
]
如果我们用ps查看机器上的nginx进程，可以看到master和worker，worker的父进程是master。
# ps -ef |grep nginx
root 58212 58195 0 01:43 ? 00:00:00 /bin/sh -c nginx -g "daemon off;"
root 58244 58212 0 01:43 ? 00:00:00 nginx: master process nginx -g daemon off;
33 58250 58244 0 01:43 ? 00:00:00 nginx: worker process
33 58251 58244 0 01:43 ? 00:00:05 nginx: worker process
33 58252 58244 0 01:43 ? 00:00:05 nginx: worker process
33 58253 58244 0 01:43 ? 00:00:05 nginx: worker process
在/proc/pid/ns里面，我们能够看到这个进程所属于的6种namespace。我们拿出两个进程来，应该可以看出来，它们属于同一个namespace。
# ls -l /proc/58212/ns
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 19:19 ipc -> ipc:[4026532278]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 19:19 mnt -> mnt:[4026532276]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 01:43 net -> net:[4026532281]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 19:19 pid -> pid:[4026532279]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 19:19 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 19:19 uts -> uts:[4026532277]
# ls -l /proc/58253/ns
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 ipc -> ipc:[4026532278]
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 mnt -> mnt:[4026532276]
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 net -> net:[4026532281]
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 pid -> pid:[4026532279]
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 uts -> uts:[4026532277]
接下来，我们来看，如何操作namespace。这里我们重点关注pid和network。
操作namespace的常用指令nsenter，可以用来运行一个进程，进入指定的namespace。例如，通过下面的命令，我们可以运行/bin/bash，并且进入nginx所在容器的namespace。
# nsenter --target 58212 --mount --uts --ipc --net --pid -- env --ignore-environment -- /bin/bash
root@f604f0e34bc2:/# ip addr
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
23: eth0@if24: <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
inet 172.17.0.3/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0
valid_lft forever preferred_lft forever
另一个命令是unshare，它会离开当前的namespace，创建且加入新的namespace，然后执行参数中指定的命令。
例如，运行下面这行命令之后，pid和net都进入了新的namespace。
unshare --mount --ipc --pid --net --mount-proc=/proc --fork /bin/bash
如果从shell上运行上面这行命令的话，好像没有什么变化，但是因为pid和net都进入了新的namespace，所以我们查看进程列表和ip地址的时候应该会发现有所不同。
# ip addr
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
# ps aux
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
root 1 0.0 0.0 115568 2136 pts/0 S 22:55 0:00 /bin/bash
root 13 0.0 0.0 155360 1872 pts/0 R+ 22:55 0:00 ps aux
果真，我们看不到宿主机上的IP地址和网卡了，也看不到宿主机上的所有进程了。
另外，我们还可以通过函数操作namespace。
第一个函数是clone，也就是创建一个新的进程，并把它放到新的namespace中。
int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);
clone函数我们原来介绍过。这里面有一个参数flags，原来我们没有注意它。其实它可以设置为CLONE_NEWUTS、CLONE_NEWUSER、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWPID。CLONE_NEWNET会将clone出来的新进程放到新的namespace中。
第二个函数是setns，用于将当前进程加入到已有的namespace中。
int setns(int fd, int nstype);
其中，fd指向/proc/[pid]/ns/目录里相应namespace对应的文件，表示要加入哪个namespace。nstype用来指定namespace的类型，可以设置为CLONE_NEWUTS、CLONE_NEWUSER、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWPID和CLONE_NEWNET。
第三个函数是unshare，它可以使当前进程退出当前的namespace，并加入到新创建的namespace。
int unshare(int flags);
其中，flags用于指定一个或者多个上面的CLONE_NEWUTS、CLONE_NEWUSER、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWPID和CLONE_NEWNET。
clone和unshare的区别是，unshare是使当前进程加入新的namespace；clone是创建一个新的子进程，然后让子进程加入新的namespace，而当前进程保持不变。
这里我们尝试一下，通过clone函数来进入一个namespace。
#define _GNU_SOURCE
#include <sys/wait.h>
#include <sys/utsname.h>
#include <sched.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#define STACK_SIZE (1024 * 1024)
static int childFunc(void *arg)
{
printf("In child process.\n");
execlp("bash", "bash", (char *) NULL);
return 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
char *stack;
char *stackTop;
pid_t pid;
stack = malloc(STACK_SIZE);
if (stack == NULL)
{
perror("malloc");
exit(1);
}
stackTop = stack + STACK_SIZE;
pid = clone(childFunc, stackTop, CLONE_NEWNS|CLONE_NEWPID|CLONE_NEWNET|SIGCHLD, NULL);
if (pid == -1)
{
perror("clone");
exit(1);
}
printf("clone() returned %ld\n", (long) pid);
sleep(1);
if (waitpid(pid, NULL, 0) == -1)
{
perror("waitpid");
exit(1);
}
printf("child has terminated\n");
exit(0);
}
在上面的代码中，我们调用clone的时候，给的参数是CLONE_NEWNS|CLONE_NEWPID|CLONE_NEWNET，也就是说，我们会进入一个新的pid、network，以及mount的namespace。
如果我们编译运行它，可以得到下面的结果。
# echo $$
64267
# ps aux | grep bash | grep -v grep
root 64267 0.0 0.0 115572 2176 pts/0 Ss 16:53 0:00 -bash
# ./a.out
clone() returned 64360
In child process.
# echo $$
1
# ip addr
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
# exit
exit
child has terminated
# echo $$
64267
通过echo $$，我们可以得到当前bash的进程号。一旦运行了上面的程序，我们就会进入一个新的pid的namespace。
当我们再次echo $$的时候就会发现，当前bash的进程号变成了1。上面的程序运行了一个新的bash，它在一个独立的pid namespace里面，自己是1号进程。如果运行ip addr，可以看到，宿主机的网卡都找不到了，因为新的bash也在一个独立的network namespace里面，等退出了，再次echo 的时候，就可以得到原来进程号。
clone系统调用我们在进程的创建那一节解析过，当时我们没有看关于namespace的代码，现在我们就来看一看，namespace在内核做了哪些事情。
在内核里面，clone会调用_do_fork->copy_process->copy_namespaces，也就是说，在创建子进程的时候，有一个机会可以复制和设置namespace。
namespace是在哪里定义的呢？在每一个进程的task_struct里面，有一个指向namespace结构体的指针nsproxy。
struct task_struct {
......
/* Namespaces: */
struct nsproxy *nsproxy;
......
}
/*
* A structure to contain pointers to all per-process
* namespaces - fs (mount), uts, network, sysvipc, etc.
*
* The pid namespace is an exception -- it's accessed using
* task_active_pid_ns. The pid namespace here is the
* namespace that children will use.
*/
struct nsproxy {
atomic_t count;
struct uts_namespace *uts_ns;
struct ipc_namespace *ipc_ns;
struct mnt_namespace *mnt_ns;
struct pid_namespace *pid_ns_for_children;
struct net *net_ns;
struct cgroup_namespace *cgroup_ns;
};
我们可以看到在struct nsproxy结构里面，有我们上面讲过的各种namespace。
在系统初始化的时候，有一个默认的init_nsproxy。
struct nsproxy init_nsproxy = {
.count = ATOMIC_INIT(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
#ifdef CONFIG_CGROUPS
.cgroup_ns = &init_cgroup_ns,
#endif
};
下面，我们来看copy_namespaces的实现。
/*
* called from clone. This now handles copy for nsproxy and all
* namespaces therein.
*/
int copy_namespaces(unsigned long flags, struct task_struct *tsk)
{
struct nsproxy *old_ns = tsk->nsproxy;
struct user_namespace *user_ns = task_cred_xxx(tsk, user_ns);
struct nsproxy *new_ns;
if (likely(!(flags & (CLONE_NEWNS | CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWIPC |
CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNET |
CLONE_NEWCGROUP)))) {
get_nsproxy(old_ns);
return 0;
}
if (!ns_capable(user_ns, CAP_SYS_ADMIN))
return -EPERM;
......
new_ns = create_new_namespaces(flags, tsk, user_ns, tsk->fs);
tsk->nsproxy = new_ns;
return 0;
}
如果clone的参数里面没有CLONE_NEWNS | CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWIPC | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNET | CLONE_NEWCGROUP，就返回原来的namespace，调用get_nsproxy。
接着，我们调用create_new_namespaces。
/*
* Create new nsproxy and all of its the associated namespaces.
* Return the newly created nsproxy. Do not attach this to the task,
* leave it to the caller to do proper locking and attach it to task.
*/
static struct nsproxy *create_new_namespaces(unsigned long flags,
struct task_struct *tsk, struct user_namespace *user_ns,
struct fs_struct *new_fs)
{
struct nsproxy *new_nsp;
new_nsp = create_nsproxy();
......
new_nsp->mnt_ns = copy_mnt_ns(flags, tsk->nsproxy->mnt_ns, user_ns, new_fs);
......
new_nsp->uts_ns = copy_utsname(flags, user_ns, tsk->nsproxy->uts_ns);
......
new_nsp->ipc_ns = copy_ipcs(flags, user_ns, tsk->nsproxy->ipc_ns);
......
new_nsp->pid_ns_for_children =
copy_pid_ns(flags, user_ns, tsk->nsproxy->pid_ns_for_children);
......
new_nsp->cgroup_ns = copy_cgroup_ns(flags, user_ns,
tsk->nsproxy->cgroup_ns);
......
new_nsp->net_ns = copy_net_ns(flags, user_ns, tsk->nsproxy->net_ns);
......
return new_nsp;
......
}
在create_new_namespaces中，我们可以看到对于各种namespace的复制。
我们来看copy_pid_ns对于pid namespace的复制。
struct pid_namespace *copy_pid_ns(unsigned long flags,
struct user_namespace *user_ns, struct pid_namespace *old_ns)
{
if (!(flags & CLONE_NEWPID))
return get_pid_ns(old_ns);
if (task_active_pid_ns(current) != old_ns)
return ERR_PTR(-EINVAL);
return create_pid_namespace(user_ns, old_ns);
}
在copy_pid_ns中，如果没有设置CLONE_NEWPID，则返回老的pid namespace；如果设置了，就调用create_pid_namespace，创建新的pid namespace.
我们再来看copy_net_ns对于network namespace的复制。
struct net *copy_net_ns(unsigned long flags,
struct user_namespace *user_ns, struct net *old_net)
{
struct ucounts *ucounts;
struct net *net;
int rv;
if (!(flags & CLONE_NEWNET))
return get_net(old_net);
ucounts = inc_net_namespaces(user_ns);
......
net = net_alloc();
......
get_user_ns(user_ns);
net->ucounts = ucounts;
rv = setup_net(net, user_ns);
......
return net;
}
在这里面，我们需要判断，如果flags中不包含CLONE_NEWNET，也就是不会创建一个新的network namespace，则返回old_net；否则需要新建一个network namespace。
然后，copy_net_ns会调用net = net_alloc()，分配一个新的struct net结构，然后调用setup_net对新分配的net结构进行初始化，之后调用list_add_tail_rcu，将新建的network namespace，添加到全局的network namespace列表net_namespace_list中。
我们来看一下setup_net的实现。
/*
* setup_net runs the initializers for the network namespace object.
*/
static __net_init int setup_net(struct net *net, struct user_namespace *user_ns)
{
/* Must be called with net_mutex held */
const struct pernet_operations *ops, *saved_ops;
LIST_HEAD(net_exit_list);
atomic_set(&net->count, 1);
refcount_set(&net->passive, 1);
net->dev_base_seq = 1;
net->user_ns = user_ns;
idr_init(&net->netns_ids);
spin_lock_init(&net->nsid_lock);
list_for_each_entry(ops, &pernet_list, list) {
error = ops_init(ops, net);
......
}
......
}
在setup_net中，这里面有一个循环list_for_each_entry，对于pernet_list的每一项struct pernet_operations，运行ops_init，也就是调用pernet_operations的init函数。
这个pernet_list是怎么来的呢？在网络设备初始化的时候，我们要调用net_dev_init函数，这里面有下面的代码。
register_pernet_device(&loopback_net_ops)
int register_pernet_device(struct pernet_operations *ops)
{
int error;
mutex_lock(&net_mutex);
error = register_pernet_operations(&pernet_list, ops);
if (!error && (first_device == &pernet_list))
first_device = &ops->list;
mutex_unlock(&net_mutex);
return error;
}
struct pernet_operations __net_initdata loopback_net_ops = {
.init = loopback_net_init,
};
register_pernet_device函数注册了一个loopback_net_ops，在这里面，把init函数设置为loopback_net_init.
static __net_init int loopback_net_init(struct net *net)
{
struct net_device *dev;
dev = alloc_netdev(0, "lo", NET_NAME_UNKNOWN, loopback_setup);
......
dev_net_set(dev, net);
err = register_netdev(dev);
......
net->loopback_dev = dev;
return 0;
......
}
在loopback_net_init函数中，我们会创建并且注册一个名字为"lo"的struct net_device。注册完之后，在这个namespace里面就会出现一个这样的网络设备，称为loopback网络设备。
这就是为什么上面的实验中，创建出的新的network namespace里面有一个lo网络设备。
总结时刻
这一节我们讲了namespace相关的技术，有六种类型，分别是UTS、User、Mount、Pid、Network和IPC。
还有两个常用的命令nsenter和unshare，主要用于操作Namespace，有三个常用的函数clone、setns和unshare。
在内核里面，对于任何一个进程task_struct来讲，里面都会有一个成员struct nsproxy，用于保存namespace相关信息，里面有 struct uts_namespace、struct ipc_namespace、struct mnt_namespace、struct pid_namespace、struct net *net_ns和struct cgroup_namespace *cgroup_ns。
创建namespace的时候，我们在内核中会调用copy_namespaces，调用顺序依次是copy_mnt_ns、copy_utsname、copy_ipcs、copy_pid_ns、copy_cgroup_ns和copy_net_ns，来复制namespace。
课堂练习
网络的Namespace有一个非常好的命令ip netns。请你研究一下这个命令，并且创建一个容器，用这个命令查看网络namespace。
欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。
