docker contex

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编程梦想家 2024-09-18 13:05:08

文章标签 docker contex 运维操作系统主机名消息队列 文章分类 Docker 云计算

2.4　Namespace介绍
2.4.1　Namespace是什么
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。
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。
PID：隔离进程ID。
UTS：隔离主机名和域名。
User：隔离用户ID和组ID。
2.4.2　Namespace的接口和使用
对Namespace的操作，主要是通过clone、setns和unshare这3个系统调用来完成的。
clone可以用来创建新的Namespace。它接受一个叫flags的参数，这些flag包括CLONE_NEWNS、CLONE_NEWIPC、CLONE_NEWUTS、CLONE_NEWNET、CLONE_NEWPID和CLONE_NEWUSER，我们通过传入这些CLONE_NEW*来创建新的Namespace。这些flag对应的Namespace都可以从字面上看出来，除了CLONE_NEWNS，这是用来创建Mount Namespace的。指定了这些flag后，由clone创建出来的新进程，就位于全新的Namespace里了，并且很自然地这个新进程以后创建出来的进程，也都在这个Namespace中。
提
示 Mount Namespace是第一个实现的Namespace，当初实现时并不是为了实现Linux容器，因此也就没有预料到会有新的Namespace出现，因此用了CLONE_NEWNS而不是CLONE_NEWMNT之类的名字。

那么，能不能为已有的进程创建新的Namespace呢？答案是可以，unshare就是用来达到这个目的的。调用这个系统调用的进程，会被放进新创建的Namespace里，要创建什么Namespace由flags参数指定，可以使用的flag也就是上面提到的那些。
以上两个系统调用都是用来创建新的Namespace的，而setns则可以将进程放到已有的Namespace里，问题是如何指定已有的Namespace？答案在procfs里。每个进程在procfs下都有一个目录，在那里面就有Namespace相关的信息，如下。

# ls –l /proc/$$/ns
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jun 16 14:39 ipc -> ipc:[4026531839]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jun 16 14:39 mnt -> mnt:[4026531840]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jun 16 14:39 net -> net:[4026531957]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jun 16 14:39 pid -> pid:[4026531836]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jun 16 14:39 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jun 16 14:39 uts -> uts:[4026531838]

这里每个虚拟文件都对应了这个进程所处的Namespace。因此，如果另一个进程要进入这个进程的Namespace，可以通过open系统调用打开这里面的虚拟文件并得到一个文件描述符，然后把文件描述符传给setns，调用返回成功的话，就进入这个进程的Namespace了。
docker exec命令的实现原理就是setns。

以下是一个简单的程序，在Linux终端调用这个程序就会进入新的Namespace，同时也可以打开另一个终端，这个终端是在host的Namespace里，这样就可以对比两个Namespace的区别了。

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/wait.h>
#include <sys/utsname.h>
#include <sched.h>
#include <stdio.h>

#define STACK_SIZE (1024 * 1024)
static char stack[STACK_SIZE];
static char* const child_args[] = { "/bin/bash", NULL };

static int child(void *arg)
{
        execv("/bin/bash", child_args);
        return 0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
        pid_t pid;

        pid = clone(child, stack+STACK_SIZE, SIGCHLD|CLONE_NEWUTS, NULL);

        waitpid(pid, NULL, 0);
}

这个程序创建了UTS Namespace，可以通过修改flag，创建其他Namespace，也可以创建几个Namespace的组合。这个程序将会用来为下面的内容做演示。
2.4.3　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。
调用之前的程序后，在Namespace终端执行以下命令：

# hostname container
# hostname
container
这里已经改变了主机名，现在通过host终端来看看host的主机名：
# hostname
linux-host

可以看到，host的主机名并没有变化，这就是Namespace所起的作用。

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。
举个例子，在namespace终端创建了一个消息队列：

# ipcmk -Q
Message queue id: 65536
# ipcs -q
------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages
0x0ec037c7 65536      root       644        0            
这个消息队列的标识符是65536，现在在host终端看一下：
# ipcs -q
------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages

在这里看不到任何消息队列，IPC隔离的效果达到了。

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。

当创建一个PID Namespace时，第一个进程的PID号是1，也就是init进程。init进程有一些特殊之处，例如init进程需要负责回收所有孤儿进程的资源。另外，发送给init进程的任何信号都会被屏蔽，即使发送的是SIGKILL信号，也就是说，在容器内无法“杀死”init进程。
但是当用ps命令查看系统的进程时，会发现竟然可以看到host的所有进程：

# ps ax
    PID TTY      STAT   TIME COMMAND
      1 ?        Ss     0:24 init [5]
      2 ?        S      0:06 [kthreadd]
      3 ?        S      1:37 [ksoftirqd/0]
      5 ?        S<     0:00 [kworker/0:0H]
      7 ?        S      0:16 [kworker/u33:0]
...
7585 pts/0       S+     0:00 sleep 1000
这是因为ps命令是从procfs读取信息的，而procfs并没有得到隔离。虽然能看到这些进程，但由于它们其实是在另一个PID Namespace中，因此无法向这些进程发送信号：
# kill -9 7585
-bash: kill: (7585) - No such process

Mount Namespace
Mount Namespace用来隔离文件系统挂载点，每个进程能看到的文件系统都记录在/proc/$$/mounts里。在创建了一个新的Mount Namespace后，进程系统对文件系统挂载/卸载的动作就不会影响到其他Namespace。

之前看到，创建PID Namespace后，由于procfs没有改变，因此通过ps命令看到的仍然是host的进程树，其实可以通过在这个PID Namespace里挂载procfs来解决这个问题，如下：

# mount –t proc none /proc
# ps ax
    PID TTY      STAT   TIME COMMAND
        1 pts/2    S+     0:00 newns
        3 pts/2    R+     0:00 ps ax
但此时由于文件系统挂载点没有隔离，因此host看到的procfs也会是这个新的procfs，这样在host上就会出问题：
# ps ax
Error, do this: mount -t proc none /proc

可如果同时使用Mount Namespace和PID Namespace，新的Namespace里的进程和host上的进程将会看到各自的procfs，故而也就不存在上面的问题了。

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。

新创建的Network Namespace会有一个loopback设备，除此之外不会有任何其他网络设备，因此用户需要在这里面做自己的网络配置。IP工具已经支持Network Namespace，可以通过它来为新的Network Namespace配置网络功能。首先创建Network Namespace：

# ip netns add new_ns
使用“ip netns exec”命令可以对特定的Namespace执行网络管理：
# ip netns exec new_ns ip link list
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
看到确实只有loopback这个网络接口，并且它还因处于DOWN状态而不可用：
# ip netns exec new_ns ping 127.0.0.1
connect: Network is unreachable
通过以下命令可以启用loopback网络接口：
# ip netns exec new-ns ip link set dev lo up
# ip netns exec new-ns ping 127.0.0.1
PING 127.0.0.1 (127.0.0.1) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.053 ms
...
最后可以这样删除Namespace：
# ip netns delete new_ns

容器的网络配置是一个很大的话题，后面有专门的章节讲解，因此这里暂不展开。

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。

注
意容器内的这类root用户，实际上还是有很多特权操作不能执行，基本上如果这个特权操作会影响到其他容器或者host，就不会被允许。

在host上，可以看到我们是lizf用户。

$ id
uid=1000(lizf) gid=100(users) groups=100(users)
现在创建新的User Namespace，看看又是什么情况？
$ new-userns
$ id
uid=65534(nobody) gid=65534(nogroup) groups=65534(nogroup)
可以看到，用户名和组名都变了，变成65534，不再是原来的1000和100。
接下来的问题是，怎么设定Namespace和host的UID的映射关系？方法是在创建新的Namespace后，设置这个Namespace里进程的/proc/<PID>/uid_map。在Namespace终端看到的是这样的：
$ id
uid=65534(nobody) gid=65534(nogroup) groups=65534(nogroup)
$ echo $$
17074
$ cat /proc/17074/uid_map
$
可以看到uid_map是空的，也就是还没有UID的映射。这可以在host终端上通过root用户设置，如下。
# echo "0 1000 65536" > /proc/17074/uid_map
上面命令表示要将[1000, 66536]的UID在Namespace里映射成[0, 65536]。再切回到Namespace终端看看：
$ id
uid=0(root) gid=65534(nogroup) 65534(nogroup)

可以看到，我们成功地将lizf用户映射成容器里的root用户了。对于gid，也可以做类似的操作。
至此，关于Namespace和Cgroup的知识就讲解完了，可以看到，Namespace和Cgroup的使用是很灵活的，同时这里面又有不少需要注意的地方，因此直接操作Namespace和Cgroup并不是很容易。正是因为这些原因，Docker通过Libcontainer来处理这些底层的事情。这样一来，Docker只需要简单地调用Libcontainer的API，就能将完整的容器搭建起来。而作为Docker的用户，就更不用操心这些事情了，而只需要学习Docker的使用手册，就能通过一两条简单的Docker命令启动容器。

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