docker系列--namespace解读

前言

理解docker，主要从namesapce，cgroups，联合文件，运行时(runC)，网络几个方面。接下来我们会花一些时间，分别介绍。

• docker系列--namespace解读
• docker系列--cgroups解读
• docker系列--unionfs解读
• docker系列--runC解读
• docker系列--网络模式解读

namesapce主要是隔离作用，cgroups主要是资源限制，联合文件主要用于镜像分层存储和管理，runC是运行时，遵循了oci接口，一般来说基于libcontainer。网络主要是docker单机网络和多主机通信模式。

namespace简介

什么是namespace

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。实际上，Linux内核实现namespace的主要目的就是为了实现轻量级虚拟化（容器）服务。在同一个namespace下的进程可以感知彼此的变化，而对外界的进程一无所知。这样就可以让容器中的进程产生错觉，仿佛自己置身于一个独立的系统环境中，以此达到独立和隔离的目的。

这样的解释可能不清楚，举个例子，执行sethostname这个系统调用时，可以改变系统的主机名，这个主机名就是一个内核的全局资源。内核通过实现UTS Namespace，可以将不同的进程分隔在不同的UTS Namespace中，在某个Namespace修改主机名时，另一个Namespace的主机名还是保持不变。

目前Linux内核总共实现了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。每个容器能看到不同的文件系统层次结构。
• PID：隔离进程ID。
• UTS：隔离主机名和域名。
• User：隔离用户ID和组ID。

namespae接口的使用

namespace的API包括clone()、setns()以及unshare()，还有/proc下的部分文件。为了确定隔离的到底是哪种namespace，在使用这些API时，通常需要指定以下六个常数的一个或多个，通过|（位或）操作来实现。你可能已经在上面的表格中注意到，这六个参数分别是CLONE_NEWIPC、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWNET、CLONE_NEWPID、CLONE_NEWUSER和CLONE_NEWUTS。

1: 通过clone()创建新进程的同时创建namespace
使用clone()来创建一个独立namespace的进程是最常见做法，它的调用方式如下。

int clone(int (*child_func)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);

clone()实际上是传统UNIX系统调用fork()的一种更通用的实现方式，它可以通过flags来控制使用多少功能。一共有二十多种CLONE_*的flag（标志位）参数用来控制clone进程的方方面面（如是否与父进程共享虚拟内存等等），下面外面逐一讲解clone函数传入的参数。

• 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

2: 通过setns()加入一个已经存在的namespace
在进程都结束的情况下，也可以通过挂载的形式把namespace保留下来，保留namespace的目的自然是为以后有进程加入做准备。通过setns()系统调用，你的进程从原先的namespace加入我们准备好的新namespace，使用方法如下。

int setns(int fd, int nstype);

• 参数fd表示我们要加入的namespace的文件描述符。上文已经提到，它是一个指向/proc/[pid]/ns目录的文件描述符，可以通过直接打开该目录下的链接或者打开一个挂载了该目录下链接的文件得到。
• 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。

3: 通过unshare()在原先进程上进行namespace隔离
后要提的系统调用是unshare()，它跟clone()很像，不同的是，unshare()运行在原先的进程上，不需要启动一个新进程，使用方法如下。

int unshare(int flags);

调用unshare()的主要作用就是不启动一个新进程就可以起到隔离的效果，相当于跳出原先的namespace进行操作。这样，你就可以在原进程进行一些需要隔离的操作。Linux中自带的unshare命令，就是通过unshare()系统调用实现的。

各个namespace介绍

• UTS Namespace

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struct utsname里的nodename和domainname这两个字段，UTS这个名字也是由此而来的。
那么，为什么要使用UTS Namespace做隔离？这是因为主机名可以用来代替IP地址，因此，也就可以使用主机名在网络上访问某台机器了，如果不做隔离，这个机制在容器里就会出问题。

• IPC Namespace

IPC是Inter-Process Communication的简写，也就是进程间通信。Linux提供了很多种进程间通信的机制，IPC Namespace针对的是SystemV IPC和Posix消息队列。这些IPC机制都会用到标识符，例如用标识符来区别不同的消息队列，然后两个进程通过标识符找到对应的消息队列进行通信等。
IPC Namespace能做到的事情是，使相同的标识符在两个Namespace中代表不同的消息队列，这样也就使得两个Namespace中的进程不能通过IPC进程通信了。

• PID Namespace

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。

• Network Namespace

这个Namespace会对网络相关的系统资源进行隔离，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。网络隔离的必要性是很明显的，举一个例子，在没有隔离的情况下，如果两个不同的容器都想运行同一个Web应用，而这个应用又需要使用80端口，那就会有冲突了。

• 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，它是历史上第一个Linux namespace，所以它的标识位比较特殊，就是CLONE_NEWNS。隔离后，不同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namespace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，包括挂载文件的名字、文件系统类型、挂载位置等等。

进程在创建mount namespace时，会把当前的文件结构复制给新的namespace。新namespace中的所有mount操作都只影响自身的文件系统，而对外界不会产生任何影响。这样做非常严格地实现了隔离，但是某些情况可能并不适用。比如父节点namespace中的进程挂载了一张CD-ROM，这时子节点namespace拷贝的目录结构就无法自动挂载上这张CD-ROM，因为这种操作会影响到父节点的文件系统。

ps：
在mount这块，需要特别注意，挂载的传播性。在实际应用中，很重要。2006 年引入的挂载传播（mount propagation）解决了这个问题，挂载传播定义了挂载对象（mount object）之间的关系，系统用这些关系决定任何挂载对象中的挂载事件如何传播到其他挂载对象。所谓传播事件，是指由一个挂载对象的状态变化导致的其它挂载对象的挂载与解除挂载动作的事件。

• User Namespace

User Namespace用来隔离用户和组ID，也就是说一个进程在Namespace里的用户和组ID与它在host里的ID可以不一样，这样说可能读者还不理解有什么实际的用处。User Namespace最有用的地方在于，host的普通用户进程在容器里可以是0号用户，也就是root用户。这样，进程在容器内可以做各种特权操作，但是它的特权被限定在容器内，离开了这个容器它就只有普通用户的权限了。

代码解读

• 首先runc中有一个nsenter文件夹，主要是go通过cgo,实现了nsexec等方法。

在Go运行时启动之前，nsenter包注册了一个特殊init构造函数。这让我们有可能在现有名称空间“setns”，并避免了Go运行时在多线程场景下可能出现的问题。

具体是在runc的main.go中引入：

package main

import (
    "os"
    "runtime"

    "github.com/opencontainers/runc/libcontainer"
    _ "github.com/opencontainers/runc/libcontainer/nsenter"
    "github.com/urfave/cli"
)

func init() {
    if len(os.Args) > 1 && os.Args[1] == "init" {
        runtime.GOMAXPROCS(1)
        runtime.LockOSThread()
    }
}

var initCommand = cli.Command{
    Name:  "init",
    Usage: `initialize the namespaces and launch the process (do not call it outside of runc)`,
    Action: func(context *cli.Context) error {
        factory, _ := libcontainer.New("")
        if err := factory.StartInitialization(); err != nil {
            // as the error is sent back to the parent there is no need to log
            // or write it to stderr because the parent process will handle this
            os.Exit(1)
        }
        panic("libcontainer: container init failed to exec")
    },
}

• 下面重点讲一下在linux container中namespace的实现。

runc/libcontainer/configs/config.go中定义了container对应的Namespaces。另外对于User Namespaces，还定义了UidMappings和GidMappings for user map。

// Config defines configuration options for executing a process inside a contained environment.
type Config struct {
    ...
 
    // Namespaces specifies the container's namespaces that it should setup when cloning the init process
    // If a namespace is not provided that namespace is shared from the container's parent process
    Namespaces Namespaces `json:"namespaces"`
 
    // UidMappings is an array of User ID mappings for User Namespaces
    UidMappings []IDMap `json:"uid_mappings"`
 
    // GidMappings is an array of Group ID mappings for User Namespaces
    GidMappings []IDMap `json:"gid_mappings"`
 
    ...
}

而Namespaces定义如下：

package configs

import (
    "fmt"
    "os"
    "sync"
)

const (
    NEWNET  NamespaceType = "NEWNET"
    NEWPID  NamespaceType = "NEWPID"
    NEWNS   NamespaceType = "NEWNS"
    NEWUTS  NamespaceType = "NEWUTS"
    NEWIPC  NamespaceType = "NEWIPC"
    NEWUSER NamespaceType = "NEWUSER"
)

var (
    nsLock              sync.Mutex
    supportedNamespaces = make(map[NamespaceType]bool)
)

// NsName converts the namespace type to its filename
func NsName(ns NamespaceType) string {
    switch ns {
    case NEWNET:
        return "net"
    case NEWNS:
        return "mnt"
    case NEWPID:
        return "pid"
    case NEWIPC:
        return "ipc"
    case NEWUSER:
        return "user"
    case NEWUTS:
        return "uts"
    }
    return ""
}

// IsNamespaceSupported returns whether a namespace is available or
// not
func IsNamespaceSupported(ns NamespaceType) bool {
    nsLock.Lock()
    defer nsLock.Unlock()
    supported, ok := supportedNamespaces[ns]
    if ok {
        return supported
    }
    nsFile := NsName(ns)
    // if the namespace type is unknown, just return false
    if nsFile == "" {
        return false
    }
    _, err := os.Stat(fmt.Sprintf("/proc/self/ns/%s", nsFile))
    // a namespace is supported if it exists and we have permissions to read it
    supported = err == nil
    supportedNamespaces[ns] = supported
    return supported
}

func NamespaceTypes() []NamespaceType {
    return []NamespaceType{
        NEWUSER, // Keep user NS always first, don't move it.
        NEWIPC,
        NEWUTS,
        NEWNET,
        NEWPID,
        NEWNS,
    }
}

// Namespace defines configuration for each namespace.  It specifies an
// alternate path that is able to be joined via setns.
type Namespace struct {
    Type NamespaceType `json:"type"`
    Path string        `json:"path"`
}

func (n *Namespace) GetPath(pid int) string {
    return fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/%s", pid, NsName(n.Type))
}

func (n *Namespaces) Remove(t NamespaceType) bool {
    i := n.index(t)
    if i == -1 {
        return false
    }
    *n = append((*n)[:i], (*n)[i+1:]...)
    return true
}

func (n *Namespaces) Add(t NamespaceType, path string) {
    i := n.index(t)
    if i == -1 {
        *n = append(*n, Namespace{Type: t, Path: path})
        return
    }
    (*n)[i].Path = path
}

func (n *Namespaces) index(t NamespaceType) int {
    for i, ns := range *n {
        if ns.Type == t {
            return i
        }
    }
    return -1
}

func (n *Namespaces) Contains(t NamespaceType) bool {
    return n.index(t) != -1
}

func (n *Namespaces) PathOf(t NamespaceType) string {
    i := n.index(t)
    if i == -1 {
        return ""
    }
    return (*n)[i].Path
}

runC支持的namespce type包括($nsName) "net"、"mnt"、"pid"、"ipc"、"user"、"uts"：

const (
       NEWNET  NamespaceType = "NEWNET"
       NEWPID  NamespaceType = "NEWPID"
       NEWNS   NamespaceType = "NEWNS"
       NEWUTS  NamespaceType = "NEWUTS"
       NEWIPC  NamespaceType = "NEWIPC"
       NEWUSER NamespaceType = "NEWUSER"
)

除了验证 Namespce Type是否在以上常量中，还要去验证 /proc/self/ns/$nsName是否存在并且可以read，都通过时，才认为该Namespace是在当前系统中是被支持的。

// IsNamespaceSupported returns whether a namespace is available or
// not
func IsNamespaceSupported(ns NamespaceType) bool {
       ...
       supported, ok := supportedNamespaces[ns]
       if ok {
              return supported
       }
       ...
       // 除了验证 Namespce Type是都在指定列表中，还要去验证 /proc/self/ns/$nsName是否存在并且可以read
       _, err := os.Stat(fmt.Sprintf("/proc/self/ns/%s", nsFile))
       supported = err == nil
       ...
       return supported
}

在runc/libcontainer/configs/namespaces_syscall.go中，定义了linux clone时这些namespace对应的clone flags。

var namespaceInfo = map[NamespaceType]int{
       NEWNET:  syscall.CLONE_NEWNET,
       NEWNS:   syscall.CLONE_NEWNS,
       NEWUSER: syscall.CLONE_NEWUSER,
       NEWIPC:  syscall.CLONE_NEWIPC,
       NEWUTS:  syscall.CLONE_NEWUTS,
       NEWPID:  syscall.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)
}

• 在容器创建初始化的过程中，主要执行以下方法：

func (c *linuxContainer) newInitProcess(p *Process, cmd *exec.Cmd, parentPipe, childPipe *os.File) (*initProcess, error) {
    cmd.Env = append(cmd.Env, "_LIBCONTAINER_INITTYPE="+string(initStandard))
    nsMaps := make(map[configs.NamespaceType]string)
    for _, ns := range c.config.Namespaces {
        if ns.Path != "" {
            nsMaps[ns.Type] = ns.Path
        }
    }
    _, sharePidns := nsMaps[configs.NEWPID]
    data, err := c.bootstrapData(c.config.Namespaces.CloneFlags(), nsMaps)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    return &initProcess{
        cmd:             cmd,
        childPipe:       childPipe,
        parentPipe:      parentPipe,
        manager:         c.cgroupManager,
        intelRdtManager: c.intelRdtManager,
        config:          c.newInitConfig(p),
        container:       c,
        process:         p,
        bootstrapData:   data,
        sharePidns:      sharePidns,
    }, nil
}