Docker技术原理之Linux Namespace（容器隔离）
0.前言
首先要知道一个运行的容器，其实就是一个受到隔离和资源限制的Linux进程——对，它就是一个进程。而本文主要来探讨Docker容器实现隔离用到的技术Linux Namespace。
1.关于 Linux Namespace
Linux提供如下Namespace:
Namespace Constant Isolates
Cgroup CLONE_NEWCGROUP Cgroup root directory
IPC CLONE_NEWIPC System V IPC, POSIX message queues
Network CLONE_NEWNET Network devices, stacks, ports, etc.
Mount CLONE_NEWNS Mount points
PID CLONE_NEWPID Process IDs
User CLONE_NEWUSER User and group IDs
UTS CLONE_NEWUTS Hostname and NIS domain name
以上Namespace分别对进程的 Cgroup root、进程间通信、网络、文件系统挂载点、进程ID、用户和组、主机名域名等进行隔离。
创建容器（进程）主要用到三个系统调用：
clone()– 实现线程的系统调用，用来创建一个新的进程，并可以通过上述参数达到隔离unshare()– 使某进程脱离某个namespacesetns()– 把某进程加入到某个namespace
2.举个例子（PID namespace）
1) 启动一个容器
$ docker run -it busybox /bin/sh
/ #
2) 查看容器中的进程id(可以看到/bin/sh的pid=1)
/ # ps
PID USER TIME COMMAND
1 root 0:00 /bin/sh
5 root 0:00 ps
3) 查看宿主机中的该/bin/sh的进程id
# ps -ef |grep busy
root 3702 3680 0 15:53 pts/0 00:00:00 docker run -it busybox /bin/sh
可以看到，我们在Docker里最开始执行的/bin/sh，就是这个容器内部的第1号进程（PID=1），而在宿主机上看到它的PID=3702。这就意味着，前面执行的/bin/sh，已经被Docker隔离在了一个跟宿主机完全不同的世界当中。
而这就是Docker在启动一个容器（创建一个进程）时使用了PID namespace
int pid = clone(main_function, stack_size, CLONE_NEWPID | SIGCHLD, NULL);
这时候，Docker就会在这个PID=3702的进程启动时给他施一个“障眼法”，让他永远看不到不属于它这个namespace中的进程。这种机制，其实就是对被隔离应用的进程空间做了手脚，使得这些进程只能看到重新计算过的进程编号，比如PID=1。可实际上，他们在宿主机的操作系统里，还是原来的第3702号进程。
然后如果你自己只用PID namespace使用上述的clone()创建一个进程，查看ps或top等命令时，却还是能看到所有进程。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，而此时你创建的隔离了pid的进程和宿主机使用的是同一个/proc文件系统，所以这些命令显示的东西都是一样的。所以，我们还需要使其它的namespace隔离，如文件系统进行隔离。
3.对照Docker源码
当启动一个docker容器时，会调用到dockerd提供的/containers/{name:.*}/start接口，然后启动一个容器，docker服务收到请求后，调用关系如下：
//注册http handler
router.NewPostRoute("/containers/{name:.*}/start", r.postContainersStart)
//
func (s *containerRouter) postContainersStart(ctx context.Context, w http.ResponseWriter, r *http.Request, vars map[string]string) error
//
func (daemon *Daemon) ContainerStart(name string, hostConfig *containertypes.HostConfig, checkpoint string, checkpointDir string) error
//
func (daemon *Daemon) containerStart(container *container.Container, checkpoint string, checkpointDir string, resetRestartManager bool) (err error) {
//...
spec, err := daemon.createSpec(container)
//...
err = daemon.containerd.Create(context.Background(), container.ID, spec, createOptions)
//...
pid, err := daemon.containerd.Start(context.Background(), container.ID, checkpointDir,
container.StreamConfig.Stdin() != nil || container.Config.Tty,
container.InitializeStdio)
//...
container.SetRunning(pid, true)
//...
}
可以看到在Daemon.containerStart接口中创建并启动了容器，而创建容器时传入的spec参数就包含了namespace，我们再来看看daemon.createSpec(container)接口返回的spec是什么：
func (daemon *Daemon) createSpec(c *container.Container) (retSpec *specs.Spec, err error) {
s := oci.DefaultSpec()
//...
if err := setUser(&s, c); err != nil {
return nil, fmt.Errorf("linux spec user: %v", err)
}
if err := setNamespaces(daemon, &s, c); err != nil {
return nil, fmt.Errorf("linux spec namespaces: %v", err)
}
//...
return &s
}
//oci.DefaultSpec()会调用DefaultLinuxSpec,可以看到返回的spec中包含了namespace
func DefaultLinuxSpec() specs.Spec {
s := specs.Spec{
Version: specs.Version,
Process: &specs.Process{
Capabilities: &specs.LinuxCapabilities{
Bounding: defaultCapabilities(),
Permitted: defaultCapabilities(),
Inheritable: defaultCapabilities(),
Effective: defaultCapabilities(),
},
},
Root: &specs.Root{},
}
s.Mounts = []specs.Mount{
{
Destination: "/proc",
Type: "proc",
Source: "proc",
Options: []string{"nosuid", "noexec", "nodev"},
},
{
Destination: "/sys/fs/cgroup",
Type: "cgroup",
Source: "cgroup",
Options: []string{"ro", "nosuid", "noexec", "nodev"},
},
//...
}
s.Linux = &specs.Linux{
//...
Namespaces: []specs.LinuxNamespace{
{Type: "mount"},
{Type: "network"},
{Type: "uts"},
{Type: "pid"},
{Type: "ipc"},
},
//...
//...
return s
}
//而在setNamespaces中还会根据其它配置对namespace进行修改
func setNamespaces(daemon *Daemon, s *specs.Spec, c *container.Container) error {
userNS := false
// user
if c.HostConfig.UsernsMode.IsPrivate() {
uidMap := daemon.idMapping.UIDs()
if uidMap != nil {
userNS = true
ns := specs.LinuxNamespace{Type: "user"}
setNamespace(s, ns)
s.Linux.UIDMappings = specMapping(uidMap)
s.Linux.GIDMappings = specMapping(daemon.idMapping.GIDs())
}
}
// network
if !c.Config.NetworkDisabled {
ns := specs.LinuxNamespace{Type: "network"}
parts := strings.SplitN(string(c.HostConfig.NetworkMode), ":", 2)
if parts[0] == "container" {
nc, err := daemon.getNetworkedContainer(c.ID, c.HostConfig.NetworkMode.ConnectedContainer())
if err != nil {
return err
}
ns.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/net", nc.State.GetPID())
if userNS {
// to share a net namespace, they must also share a user namespace
nsUser := specs.LinuxNamespace{Type: "user"}
nsUser.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/user", nc.State.GetPID())
setNamespace(s, nsUser)
}
} else if c.HostConfig.NetworkMode.IsHost() {
ns.Path = c.NetworkSettings.SandboxKey
}
setNamespace(s, ns)
}
// ipc
ipcMode := c.HostConfig.IpcMode
switch {
case ipcMode.IsContainer():
ns := specs.LinuxNamespace{Type: "ipc"}
ic, err := daemon.getIpcContainer(ipcMode.Container())
if err != nil {
return err
}
ns.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/ipc", ic.State.GetPID())
setNamespace(s, ns)
if userNS {
// to share an IPC namespace, they must also share a user namespace
nsUser := specs.LinuxNamespace{Type: "user"}
nsUser.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/user", ic.State.GetPID())
setNamespace(s, nsUser)
}
case ipcMode.IsHost():
oci.RemoveNamespace(s, specs.LinuxNamespaceType("ipc"))
case ipcMode.IsEmpty():
// A container was created by an older version of the daemon.
// The default behavior used to be what is now called "shareable".
fallthrough
case ipcMode.IsPrivate(), ipcMode.IsShareable(), ipcMode.IsNone():
ns := specs.LinuxNamespace{Type: "ipc"}
setNamespace(s, ns)
default:
return fmt.Errorf("Invalid IPC mode: %v", ipcMode)
}
// pid
if c.HostConfig.PidMode.IsContainer() {
ns := specs.LinuxNamespace{Type: "pid"}
pc, err := daemon.getPidContainer(c)
if err != nil {
return err
}
ns.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/pid", pc.State.GetPID())
setNamespace(s, ns)
if userNS {
// to share a PID namespace, they must also share a user namespace
nsUser := specs.LinuxNamespace{Type: "user"}
nsUser.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/user", pc.State.GetPID())
setNamespace(s, nsUser)
}
} else if c.HostConfig.PidMode.IsHost() {
oci.RemoveNamespace(s, specs.LinuxNamespaceType("pid"))
} else {
ns := specs.LinuxNamespace{Type: "pid"}
setNamespace(s, ns)
}
// uts
if c.HostConfig.UTSMode.IsHost() {
oci.RemoveNamespace(s, specs.LinuxNamespaceType("uts"))
s.Hostname = ""
}
return nil
}
func setNamespace(s *specs.Spec, ns specs.LinuxNamespace) {
for i, n := range s.Linux.Namespaces {
if n.Type == ns.Type {
s.Linux.Namespaces[i] = ns
return
}
}
s.Linux.Namespaces = append(s.Linux.Namespaces, ns)
}
其实很早以前Docker创建一个容器，获取namespace是通过CloneFlags函数，后来有了开放容器计划(OCI)规范后，就改为了以上面代码中方式创建容器。OCI之前代码如下：
var namespaceInfo = map[NamespaceType]int{
NEWNET: unix.CLONE_NEWNET,
NEWNS: unix.CLONE_NEWNS,
NEWUSER: unix.CLONE_NEWUSER,
NEWIPC: unix.CLONE_NEWIPC,
NEWUTS: unix.CLONE_NEWUTS,
NEWPID: unix.CLONE_NEWPID,
}
// CloneFlags parses the container's Namespaces options to set the correct
// flags on clone, unshare. This function returns flags only for new namespaces.
func (n *Namespaces) CloneFlags() uintptr {
var flag int
for _, v := range *n {
if v.Path != "" {
continue
}
flag |= namespaceInfo[v.Type]
}
return uintptr(flag)
}
func (c *linuxContainer) newInitProcess(p *Process, cmd *exec.Cmd, parentPipe, childPipe *os.File) (*initProcess, error) { t := "_LIBCONTAINER_INITTYPE=standard"
//
//没错，就是这里～
//
cloneFlags := c.config.Namespaces.CloneFlags()
if cloneFlags&syscall.CLONE_NEWUSER != 0 {
if err := c.addUidGidMappings(cmd.SysProcAttr); err != nil {
// user mappings are not supported
return nil, err
}
enableSetgroups(cmd.SysProcAttr)
// Default to root user when user namespaces are enabled.
if cmd.SysProcAttr.Credential == nil {
cmd.SysProcAttr.Credential = &syscall.Credential{}
}
}
cmd.Env = append(cmd.Env, t)
cmd.SysProcAttr.Cloneflags = cloneFlags
return &initProcess{
cmd: cmd,
childPipe: childPipe,
parentPipe: parentPipe,
manager: c.cgroupManager,
config: c.newInitConfig(p),
}, nil
}
现在，容器运行时，通过OCI这个容器运行时规范同底层的Linux操作系统进行交互，即：把容器操作请求翻译成对Linux操作系统的调用（操作Linux Namespace和Cgroups等）。
参考
- https://coolshell.cn/articles/17010.html
- https://github.com/moby/moby
- http://lwn.net/Articles/531114/
- http://man7.org/linux/man-pages/man7/namespaces.7.html