Docker学习四：资源隔离——Namespace

一、Namespace简介

Namespace 是 Linux 内核的一项功能，该功能对内核资源进行分区，以使一组进程看到一组资源，而另一组进程看到另一组资源。

Namespace 的工作方式通过为一组资源和进程设置相同的 Namespace 而起作用，但是这些 Namespace 引用了不同的资源。资源可能存在于多个 Namespace 中。这些资源可以是进程 ID、主机名、用户 ID、文件名、与网络访问相关的名称和进程间通信。

简而言之，Namespace 是 Linux 内核的一个特性，该特性可以实现在同一主机系统中，对进程 ID、主机名、用户 ID、文件名、网络和进程间通信等资源的隔离。Docker 利用 Linux 内核的 Namespace 特性，实现了每个容器的资源相互隔离，从而保证容器内部只能访问到自己 Namespace 的资源。

正是由于 Docker 使用了 Linux 的这些 Namespace 技术，才实现了 Docker 容器的隔离，可以说没有 Namespace，就没有 Docker 容器。

最新的 Linux 5.6 内核中提供了 8 种类型的 Namespace，而最新版本的 Docker 只使用了其中的前6 种，分别为Mount Namespace、PID Namespace、Net Namespace、IPC Namespace、UTS Namespace、User Namespace。

二、各种Namespace介绍

1. Mount Namespace

Mount Namespace 是 Linux 内核实现的第一个 Namespace，从内核的 2.4.19 版本开始加入。它可以用来隔离不同的进程或进程组看到的挂载点。通俗地说，就是可以实现在不同的进程中看到不同的挂载目录。

使用 Mount Namespace 可以实现容器内只能看到自己的挂载信息，在容器内的挂载操作不会影响主机的挂载目录。

下面对Mount Namespace进行演示。演示之前先介绍一个命令行工具 unshare。unshare 是 util-linux 工具包中的一个工具，CentOS 7 系统默认已经集成了该工具，使用 unshare 命令可以实现创建并访问不同类型的 Namespace。

# 创建一个 bash 进程并且新建一个 Mount Namespace
$ sudo unshare --mount --fork /bin/bash

# 在 /tmp 目录下创建一个目录
[root@centos7 centos]# mkdir /tmp/tmpfs

# 使用 mount 命令挂载一个 tmpfs 类型的目录
[root@centos7 centos]# mount -t tmpfs -o size=20m tmpfs /tmp/tmpfs

# df 命令查看一下已经挂载的目录信息
# 可以看到 /tmp/tmpfs 目录已经被正确挂载
[root@centos7 centos]# df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/vda1       500G  1.4G  499G   1% /
devtmpfs         16G     0   16G   0% /dev
tmpfs            16G     0   16G   0% /dev/shm
tmpfs            16G     0   16G   0% /sys/fs/cgroup
tmpfs            16G   57M   16G   1% /run
tmpfs           3.2G     0  3.2G   0% /run/user/1000
tmpfs            20M     0   20M   0% /tmp/tmpfs

# 新打开一个命令行窗口， df 命令查看主机的挂载信息
[centos@centos7 ~]$ df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
devtmpfs         16G     0   16G   0% /dev
tmpfs            16G     0   16G   0% /dev/shm
tmpfs            16G   57M   16G   1% /run
tmpfs            16G     0   16G   0% /sys/fs/cgroup
/dev/vda1       500G  1.4G  499G   1% /
tmpfs           3.2G     0  3.2G   0% /run/user/1000
# 主机上并没有挂载 /tmp/tmpfs

# 在当前命令行窗口查看一下当前进程的 Namespace 信息
[root@centos7 centos]# ls -l /proc/self/ns/
total 0
lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Sep  4 08:20 ipc -> ipc:[4026531839]
lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Sep  4 08:20 mnt -> mnt:[4026532239]
lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Sep  4 08:20 net -> net:[4026531956]
lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Sep  4 08:20 pid -> pid:[4026531836]
lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Sep  4 08:20 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Sep  4 08:20 uts -> uts:[4026531838]

# 新打开一个命令行窗口，使用相同的命令查看一下主机上的 Namespace 信息
[centos@centos7 ~]$ ls -l /proc/self/ns/
total 0
lrwxrwxrwx. 1 centos centos 0 Sep  4 08:20 ipc -> ipc:[4026531839]
lrwxrwxrwx. 1 centos centos 0 Sep  4 08:20 mnt -> mnt:[4026531840]
lrwxrwxrwx. 1 centos centos 0 Sep  4 08:20 net -> net:[4026531956]
lrwxrwxrwx. 1 centos centos 0 Sep  4 08:20 pid -> pid:[4026531836]
lrwxrwxrwx. 1 centos centos 0 Sep  4 08:20 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx. 1 centos centos 0 Sep  4 08:20 uts -> uts:[4026531838]
# 除了 Mount Namespace 的 ID 值不一样外，其他Namespace 的 ID 值均一致。

2. PID Namespace

PID Namespace 的作用是用来隔离进程。在不同的 PID Namespace 中，进程可以拥有相同的 PID 号，利用 PID Namespace 可以实现每个容器的主进程为 1 号进程，而容器内的进程在主机上却拥有不同的PID。例如一个进程在主机上 PID 为 122，使用 PID Namespace 可以实现该进程在容器内看到的 PID 为 1。

# 创建一个 bash 进程，并且新建一个 PID Namespace
$ sudo unshare --pid --fork --mount-proc /bin/bash

# 在当前的命令行窗口使用 ps aux 命令查看一下进程信息
[root@centos7 centos]# ps aux
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.0 115544  2004 pts/0    S    10:57   0:00 bash
root        10  0.0  0.0 155444  1764 pts/0    R+   10:59   0:00 ps aux
# 当前 Namespace 下 bash 为 1 号进程，而且我们也看不到主机上的其他进程信息

3. UTS Namespace

UTS Namespace 主要是用来隔离主机名的，它允许每个 UTS Namespace 拥有一个独立的主机名。例如主机名称为 docker，使用 UTS Namespace 可以实现在容器内的主机名称为 lagoudocker 或者其他任意自定义主机名。

# 创建一个 bash 进程，并且新建一个 UTS Namespace
$ sudo unshare --uts --fork /bin/bash

# 使用 hostname 命令（hostname 可以用来查看主机名称）设置一下主机名
[root@centos7 centos]# hostname -b lagoudocker

# 查看一下主机名
[root@centos7 centos]# hostname
lagoudocker

#  新打开一个命令行窗口，查看一下主机名
[centos@centos7 ~]$ hostname
centos7

4. IPC Namespace

IPC Namespace 主要是用来隔离进程间通信的。例如 PID Namespace 和 IPC Namespace 一起使用可以实现同一 IPC Namespace 内的进程彼此可以通信，不同 IPC Namespace 的进程却不能通信。

# 创建一个 bash 进程，并且新建一个 IPC Namespace
$ sudo unshare --ipc --fork /bin/bash

# ipcs -q 命令查看一下当前 IPC Namespace 下的系统通信队列列表
[centos@centos7 ~]$ ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages
# 当前无任何系统通信队列

#  ipcmk -Q 命令创建一个系统通信队列
[root@centos7 centos]# ipcmk -Q
Message queue id: 0

# 再次使用 ipcs -q 命令查看当前 IPC Namespace 下的系统通信队列列表
[root@centos7 centos]# ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages
0x73682a32 0          root       644        0            0

# 新打开一个命令行窗口，使用ipcs -q 命令查看一下主机的系统通信队列：
[centos@centos7 ~]$ ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages
#  IPC Namespace 内创建的系统通信队列在主机上无法看到

5. User Namespace

User Namespace 主要是用来隔离用户和用户组的。一个比较典型的应用场景就是在主机上以非 root 用户运行的进程可以在一个单独的 User Namespace 中映射成 root 用户。使用 User Namespace 可以实现进程在容器内拥有 root 权限，而在主机上却只是普通用户。

# 创建一个 bash 进程，并且新建一个 User Namespace
[centos@centos7 ~]$ unshare --user -r /bin/bash
# CentOS7 默认允许创建的 User Namespace 数量为 0，如果执行上述命令失败（ unshare 命令返回的错误为 unshare: unshare failed: Invalid argument ），需要使用以下命令修改系统允许创建的 User Namespace 数量，命令为：echo 65535 > /proc/sys/user/max_user_namespaces，然后再次尝试创建 User Namespace。

# 执行 id 命令查看一下当前的用户信息
[root@centos7 ~]# id
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root),65534(nfsnobody) context=unconfined_u:unconfined_r:unconfined_t:s0-s0:c0.c1023
# 可以看到，在新的 User Namespace 内已经是 root 用户了

# 使用只有主机 root 用户才可以执行的 reboot 命令来验证一下，在当前命令行窗口执行 reboot 命令
[root@centos7 ~]# reboot
Failed to open /dev/initctl: Permission denied
Failed to talk to init daemon.
# 在隔离的 User Namespace 中，并不能获取到主机的 root 权限

6. Net Namespace

Net Namespace 是用来隔离网络设备、IP 地址和端口等信息的。Net Namespace 可以让每个进程拥有自己独立的 IP 地址，端口和网卡信息。例如主机 IP 地址为 172.16.4.1 ，容器内可以设置独立的 IP 地址为 192.168.1.1。

# 创建一个 bash 进程，并且新建一个 Net Namespace
$ sudo unshare --net --fork /bin/bash

# 使用 ip a 命令查看一下网络信息：
[root@centos7 centos]# ip a
1: lo:  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

# 新打开一个命令行窗口，使用 ip a 命令查看一下主机上的网络信息
$ ip a
1: lo:  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
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0:  mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 02:11:b0:14:01:0c brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.20.1.11/24 brd 172.20.1.255 scope global dynamic eth0
       valid_lft 86063337sec preferred_lft 86063337sec
    inet6 fe80::11:b0ff:fe14:10c/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: docker0:  mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default
    link/ether 02:42:82:8d:a0:df brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.1/16 scope global docker0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::42:82ff:fe8d:a0df/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
#宿主机上有 lo、eth0、docker0 等网络设备，而新建的 Net Namespace 内则与主机上的网络设备不同。