Docker基础技术：Linux Namespace（下）

在 Docker基础技术：Linux Namespace（上篇）中我们了解了，UTD、IPC、PID、Mount 四个namespace，我们模仿Docker做了一个相当相当山寨的镜像。在这一篇中，主要想向大家介绍Linux的User和Network的Namespace。

好，下面我们就介绍一下还剩下的这两个Namespace。
User Namespace

User Namespace主要是用了CLONE_NEWUSER的参数。使用了这个参数后，内部看到的UID和GID已经与外部不同了，默认显示为65534。那是因为容器找不到其真正的UID所以，设置上了最大的UID（其设置定义在/proc/sys/kernel/overflowuid）。

要把容器中的uid和真实系统的uid给映射在一起，需要修改 /proc//uid_map 和 /proc//gid_map 这两个文件。这两个文件的格式为：

ID-inside-ns ID-outside-ns length

其中：

第一个字段ID-inside-ns表示在容器显示的UID或GID，
第二个字段ID-outside-ns表示容器外映射的真实的UID或GID。
第三个字段表示映射的范围，一般填1，表示一一对应。

比如，把真实的uid=1000映射成容器内的uid=0

$ cat /proc/2465/uid_map
0 1000 1

再比如下面的示例：表示把namespace内部从0开始的uid映射到外部从0开始的uid，其最大范围是无符号32位整形

$ cat /proc/$$/uid_map
0 0 4294967295

另外，需要注意的是：

写这两个文件的进程需要这个namespace中的CAP_SETUID (CAP_SETGID)权限（可参看Capabilities）
写入的进程必须是此user namespace的父或子的user namespace进程。
另外需要满如下条件之一：1）父进程将effective uid/gid映射到子进程的user namespace中，2）父进程如果有CAP_SETUID/CAP_SETGID权限，那么它将可以映射到父进程中的任一uid/gid。

这些规则看着都烦，我们来看程序吧（下面的程序有点长，但是非常简单，如果你读过《Unix网络编程》上卷，你应该可以看懂）：

#define _GNU_SOURCE
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
#define STACK_SIZE (1024 * 1024)
 
static char container_stack[STACK_SIZE];
char* const container_args[] = {
    "/bin/bash",
    NULL
};
 
int pipefd[2];
 
void set_map(char* file, int inside_id, int outside_id, int len) {
    FILE* mapfd = fopen(file, "w");
    if (NULL == mapfd) {
        perror("open file error");
        return;
    }
    fprintf(mapfd, "%d %d %d", inside_id, outside_id, len);
    fclose(mapfd);
}
 
void set_uid_map(pid_t pid, int inside_id, int outside_id, int len) {
    char file[256];
    sprintf(file, "/proc/%d/uid_map", pid);
    set_map(file, inside_id, outside_id, len);
}
 
void set_gid_map(pid_t pid, int inside_id, int outside_id, int len) {
    char file[256];
    sprintf(file, "/proc/%d/gid_map", pid);
    set_map(file, inside_id, outside_id, len);
}
 
int container_main(void* arg)
{
 
    printf("Container [%5d] - inside the container!\n", getpid());
 
    printf("Container: eUID = %ld;  eGID = %ld, UID=%ld, GID=%ld\n",
            (long) geteuid(), (long) getegid(), (long) getuid(), (long) getgid());
 
    /* 等待父进程通知后再往下执行（进程间的同步） */
    char ch;
    close(pipefd[1]);
    read(pipefd[0], &ch, 1);
 
    printf("Container [%5d] - setup hostname!\n", getpid());
    //set hostname
    sethostname("container",10);
 
    //remount "/proc" to make sure the "top" and "ps" show container's information
    mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);
 
    execv(container_args[0], container_args);
    printf("Something's wrong!\n");
    return 1;
}
 
int main()
{
    const int gid=getgid(), uid=getuid();
 
    printf("Parent: eUID = %ld;  eGID = %ld, UID=%ld, GID=%ld\n",
            (long) geteuid(), (long) getegid(), (long) getuid(), (long) getgid());
 
    pipe(pipefd);
  
    printf("Parent [%5d] - start a container!\n", getpid());
 
    int container_pid = clone(container_main, container_stack+STACK_SIZE, 
            CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | CLONE_NEWUSER | SIGCHLD, NULL);
 
     
    printf("Parent [%5d] - Container [%5d]!\n", getpid(), container_pid);
 
    //To map the uid/gid, 
    //   we need edit the /proc/PID/uid_map (or /proc/PID/gid_map) in parent
    //The file format is
    //   ID-inside-ns   ID-outside-ns   length
    //if no mapping, 
    //   the uid will be taken from /proc/sys/kernel/overflowuid
    //   the gid will be taken from /proc/sys/kernel/overflowgid
    set_uid_map(container_pid, 0, uid, 1);
    set_gid_map(container_pid, 0, gid, 1);
 
    printf("Parent [%5d] - user/group mapping done!\n", getpid());
 
    /* 通知子进程 */
    close(pipefd[1]);
 
    waitpid(container_pid, NULL, 0);
    printf("Parent - container stopped!\n");
    return 0;
}

上面的程序，我们用了一个pipe来对父子进程进行同步，为什么要这样做？因为子进程中有一个execv的系统调用，这个系统调用会把当前子进程的进程空间给全部覆盖掉，我们希望在execv之前就做好user namespace的uid/gid的映射，这样，execv运行的/bin/bash就会因为我们设置了uid为0的inside-uid而变成#号的提示符。

整个程序的运行效果如下：

hchen@ubuntu:~$ id
uid=1000(hchen) gid=1000(hchen) groups=1000(hchen)
 
hchen@ubuntu:~$ ./user #<--以hchen用户运行
Parent: eUID = 1000;  eGID = 1000, UID=1000, GID=1000 
Parent [ 3262] - start a container!
Parent [ 3262] - Container [ 3263]!
Parent [ 3262] - user/group mapping done!
Container [    1] - inside the container!
Container: eUID = 0;  eGID = 0, UID=0, GID=0 #<---Container里的UID/GID都为0了
Container [    1] - setup hostname!
 
root@container:~# id #<----我们可以看到容器里的用户和命令行提示符是root用户了
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root),65534(nogroup)

虽然容器里是root，但其实这个容器的/bin/bash进程是以一个普通用户hchen来运行的。这样一来，我们容器的安全性会得到提高。

我们注意到，User Namespace是以普通用户运行，但是别的Namespace需要root权限，那么，如果我要同时使用多个Namespace，该怎么办呢？一般来说，我们先用一般用户创建User Namespace，然后把这个一般用户映射成root，在容器内用root来创建其它的Namesapce。
Network Namespace

Network的Namespace比较啰嗦。在Linux下，我们一般用ip命令创建Network Namespace（Docker的源码中，它没有用ip命令，而是自己实现了ip命令内的一些功能——是用了Raw Socket发些“奇怪”的数据，呵呵）。这里，我还是用ip命令讲解一下。

首先，我们先看个图，下面这个图基本上就是Docker在宿主机上的网络示意图（其中的物理网卡并不准确，因为docker可能会运行在一个VM中，所以，这里所谓的“物理网卡”其实也就是一个有可以路由的IP的网卡）

network.namespace

上图中，Docker使用了一个私有网段，172.40.1.0，docker还可能会使用10.0.0.0和192.168.0.0这两个私有网段，关键看你的路由表中是否配置了，如果没有配置，就会使用，如果你的路由表配置了所有私有网段，那么docker启动时就会出错了。

当你启动一个Docker容器后，你可以使用ip link show或ip addr show来查看当前宿主机的网络情况（我们可以看到有一个docker0，还有一个veth22a38e6的虚拟网卡——给容器用的）：

hchen@ubuntu:~$ ip link show
1: lo:  mtu 65536 qdisc noqueue state ... 
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: eth0:  mtu 1500 qdisc ...
    link/ether 00:0c:29:b7:67:7d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: docker0:  mtu 1500 ...
    link/ether 56:84:7a:fe:97:99 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
5: veth22a38e6:  mtu 1500 qdisc ...
    link/ether 8e:30:2a:ac:8c:d1 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

那么，要做成这个样子应该怎么办呢？我们来看一组命令：

##首先，我们先增加一个网桥lxcbr0，模仿docker0
brctl addbr lxcbr0
brctl stp lxcbr0 off
ifconfig lxcbr0 192.168.10.1/24 up #为网桥设置IP地址
 
##接下来，我们要创建一个network namespace - ns1
 
#增加一个namesapce 命令为 ns1 （使用ip netns add命令）
ip netns add ns1 
 
#激活namespace中的loopback，即127.0.0.1（使用ip netns exec ns1来操作ns1中的命令）
ip netns exec ns1   ip link set dev lo up 
 
##然后，我们需要增加一对虚拟网卡
 
#增加一个pair虚拟网卡，注意其中的veth类型，其中一个网卡要按进容器中
ip link add veth-ns1 type veth peer name lxcbr0.1
 
# 把 veth-ns1 按到namespace ns1中，这样容器中就会有一个新的网卡了
ip link set veth-ns1 netns ns1
 
# 把容器里的 veth-ns1改名为 eth0 （容器外会冲突，容器内就不会了）
ip netns exec ns1  ip link set dev veth-ns1 name eth0 
 
# 为容器中的网卡分配一个IP地址，并激活它
ip netns exec ns1 ifconfig eth0 192.168.10.11/24 up
 
 
# 上面我们把veth-ns1这个网卡按到了容器中，然后我们要把lxcbr0.1添加上网桥上
brctl addif lxcbr0 lxcbr0.1
 
# 为容器增加一个路由规则，让容器可以访问外面的网络
ip netns exec ns1     ip route add default via 192.168.10.1
 
# 在/etc/netns下创建network namespce名称为ns1的目录，
# 然后为这个namespace设置resolv.conf，这样，容器内就可以访问域名了
mkdir -p /etc/netns/ns1
echo "nameserver 8.8.8.8" > /etc/netns/ns1/resolv.conf

上面基本上就是docker网络的原理了，只不过，

    Docker的resolv.conf没有用这样的方式，而是用了上篇中的Mount Namesapce的那种方式
    另外，docker是用进程的PID来做Network Namespace的名称的。

了解了这些后，你甚至可以为正在运行的docker容器增加一个新的网卡：

	
ip link add peerA type veth peer name peerB 
brctl addif docker0 peerA 
ip link set peerA up 
ip link set peerB netns ${container-pid} 
ip netns exec ${container-pid} ip link set dev peerB name eth1 
ip netns exec ${container-pid} ip link set eth1 up ; 
ip netns exec ${container-pid} ip addr add ${ROUTEABLE_IP} dev eth1 ;

上面的示例是我们为正在运行的docker容器，增加一个eth1的网卡，并给了一个静态的可被外部访问到的IP地址。

这个需要把外部的“物理网卡”配置成混杂模式，这样这个eth1网卡就会向外通过ARP协议发送自己的Mac地址，然后外部的交换机就会把到这个IP地址的包转到“物理网卡”上，因为是混杂模式，所以eth1就能收到相关的数据，一看，是自己的，那么就收到。这样，Docker容器的网络就和外部通了。

当然，无论是Docker的NAT方式，还是混杂模式都会有性能上的问题，NAT不用说了，存在一个转发的开销，混杂模式呢，网卡上收到的负载都会完全交给所有的虚拟网卡上，于是就算一个网卡上没有数据，但也会被其它网卡上的数据所影响。

这两种方式都不够完美，我们知道，真正解决这种网络问题需要使用VLAN技术，于是Google的同学们为Linux内核实现了一个IPVLAN的驱动，这基本上就是为Docker量身定制的。
Namespace文件

上面就是目前Linux Namespace的玩法。 现在，我来看一下其它的相关东西。

让我们运行一下上篇中的那个pid.mnt的程序（也就是PID Namespace中那个mount proc的程序），然后不要退出。

$ sudo ./pid.mnt 
[sudo] password for hchen: 
Parent [ 4599] - start a container!
Container [    1] - inside the container!

我们到另一个shell中查看一下父子进程的PID：

hchen@ubuntu:~$ pstree -p 4599
pid.mnt(4599)───bash(4600)

我们可以到proc下（/proc//ns）查看进程的各个namespace的id（内核版本需要3.8以上）。

下面是父进程的：

hchen@ubuntu:~$ sudo ls -l /proc/4599/ns
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 ipc -> ipc:[4026531839]
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 mnt -> mnt:[4026531840]
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 net -> net:[4026531956]
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 pid -> pid:[4026531836]
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 uts -> uts:[4026531838]

下面是子进程的：

hchen@ubuntu:~$ sudo ls -l /proc/4600/ns
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 ipc -> ipc:[4026531839]
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 mnt -> mnt:[4026532520]
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 net -> net:[4026531956]
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 pid -> pid:[4026532522]
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 root root 0  4月  7 22:01 uts -> uts:[4026532521]

我们可以看到，其中的ipc，net，user是同一个ID，而mnt,pid,uts都是不一样的。如果两个进程指向的namespace编号相同，就说明他们在同一个namespace下，否则则在不同namespace里面。

这些文件还有另一个作用，那就是，一旦这些文件被打开，只要其fd被占用着，那么就算PID所属的所有进程都已经结束，创建的namespace也会一直存在。比如：我们可以通过：mount –bind /proc/4600/ns/uts ~/uts 来hold这个namespace。

另外，我们在上篇中讲过一个setns的系统调用，其函数声明如下：

int setns(int fd, int nstype);

其中第一个参数就是一个fd，也就是一个open()系统调用打开了上述文件后返回的fd，比如：

fd = open("/proc/4600/ns/nts", O_RDONLY);  // 获取namespace文件描述符
setns(fd, 0); // 加入新的namespace

参考文档

Namespaces in operation
Linux Namespace Man Page
Creat Containers – Part 1
Introduction to Linux namespaces