詳解Linux中的命名空間

背景

從Linux 2.6.24版的內核開始，Linux 就支持6種不同類型的命名空間。它們的出現，使用戶創建的進程能夠與系統分離得更加徹底，從而不需要使用更多的底層虛擬化技術。

•     CLONE_NEWIPC: 進程間通信(IPC)的命名空間，可以將 SystemV 的 IPC 和 POSIX 的消息隊列獨立出來。
      CLONE_NEWPID: 進程命名空間。空間內的PID 是獨立分配的，意思就是命名空間內的虛擬 PID 可能會與命名空間外的 PID 相沖突，於是命名空間內的 PID 映射到命名空間外時會使用另外一個 PID。比如說，命名空間內第一個 PID 為1，而在命名空間外就是該 PID 已被 init 進程所使用。
      CLONE_NEWNET: 網絡命名空間，用於隔離網絡資源（/proc/net、IP 地址、網卡、路由等）。後台進程可以運行在不同命名空間內的相同端口上，用戶還可以虛擬出一塊網卡。
      CLONE_NEWNS: 掛載命名空間，進程運行時可以將掛載點與系統分離，使用這個功能時，我們可以達到 chroot 的功能，而在安全性方面比 chroot 更高。
      CLONE_NEWUTS: UTS 命名空間，主要目的是獨立出主機名和網絡信息服務（NIS）。
      CLONE_NEWUSER: 用戶命名空間，同進程 ID 一樣，用戶 ID 和組 ID 在命名空間內外是不一樣的，並且在不同命名空間內可以存在相同的 ID。

下面我們介紹一下進程命名空間和網絡命名空間。
進程命名空間

本文用 C 語言介紹上述概念，因為演示進程命名空間的時候需要用到 C 語言。下面的測試過程在 Debian 6 和 Debian 7 上執行。首先，在棧內分配一頁內存空間，並將指針指向內存頁的末尾。這裡我們使用 alloca() 函數來分配內存，不要用 malloc() 函數，它會把內存分配在堆上。

   
復制代碼代碼如下: void *mem = alloca(sysconf(_SC_PAGESIZE)) + sysconf(_SC_PAGESIZE);

然後使用 clone() 函數創建子進程，傳入我們的子棧空間地址 "mem"，並指定命名空間的標記。同時我們還指定“callee”作為子進程運行的函數。

   
復制代碼代碼如下:mypid = clone(callee, mem, SIGCHLD | CLONE_NEWIPC | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | CLONE_FILES, NULL);

clone 之後我們要在父進程中等待子進程先退出，否則的話，父進程會繼續運行下去，並馬上進程結束，留下子進程變成孤兒進程：

   
復制代碼代碼如下:while (waitpid(mypid, &r, 0) < 0 && errno == EINTR)
{
continue;
}

最後當子進程退出後，我們會回到 shell 界面，並返回子進程的退出碼。

   
復制代碼代碼如下:if (WIFEXITED(r))
{
return WEXITSTATUS(r);
}
return EXIT_FAILURE;

上文介紹的 callee 函數功能如下：

   
復制代碼代碼如下:static int callee()
{
int ret;
mount("proc", "/proc", "proc", 0, "");
setgid(u);
setgroups(0, NULL);
setuid(u);
ret = execl("/bin/bash", "/bin/bash", NULL);
return ret;
}

程序掛載了 /proc 文件系統，設置用戶 ID 和組 ID，值都為“u”，然後運行 /bin/bash 程序，LXC 是一個操作系統級的虛擬化工具，使用 cgroups 和命名空間來完成資源的分離。現在我們把所有代碼放在一起，變量“u”的值設為65534，在 Debian 系統中，這是“nobody”和“nogroup”：

   
復制代碼代碼如下:#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/mount.h>
#include <grp.h>
#include <alloca.h>
#include <errno.h>
#include <sched.h>
static int callee();
const int u = 65534;
int main(int argc, char *argv[])
{
int r;
pid_t mypid;
void *mem = alloca(sysconf(_SC_PAGESIZE)) + sysconf(_SC_PAGESIZE);
mypid = clone(callee, mem, SIGCHLD | CLONE_NEWIPC | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | CLONE_FILES, NULL);
while (waitpid(mypid, &r, 0) < 0 && errno == EINTR)
{
continue;
}
if (WIFEXITED(r))
{
return WEXITSTATUS(r);
}
return EXIT_FAILURE;
}
static int callee()
{
int ret;
mount("proc", "/proc", "proc", 0, "");
setgid(u);
setgroups(0, NULL);
setuid(u);
ret = execl("/bin/bash", "/bin/bash", NULL);
return ret;
}

執行以下命令來運行上面的代碼：

   
復制代碼代碼如下:root@w:~/pen/tmp# gcc -O -o ns.c -Wall -Werror -ansi -c89 ns.c
root@w:~/pen/tmp# ./ns
nobody@w:~/pen/tmp$ id
uid=65534(nobody) gid=65534(nogroup)
nobody@w:~/pen/tmp$ ps auxw
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
nobody 1 0.0 0.0 4620 1816 pts/1 S 21:21 0:00 /bin/bash
nobody 5 0.0 0.0 2784 1064 pts/1 R+ 21:21 0:00 ps auxw
nobody@w:~/pen/tmp$

注意上面的結果，UID 和 GID 被設置成 nobody 和 nogroup 了，特別是 ps 工具只輸出兩個進程，它們的 ID 分別是1和5（LCTT注：這就是上文介紹 CLONE_NEWPID 時提到的功能，在線程所在的命名空間內，進程 ID 可以為1，映射到命名空間外是另外一個 PID；而命名空間外的 ID 為1的進程一直是 init）。
網絡命名空間

接下來輪到使用 ip netns 來設置網絡的命名空間。第一步先確定當前系統沒有命名空間：

   
復制代碼代碼如下:root@w:~# ip netns list
Object "netns" is unknown, try "ip help".

如果報了上述錯誤，你需要更新你的系統內核，以及 ip 工具程序。這裡假設你的內核版高於2.6.24，ip 工具版本也差不多，高於2.6.24（LCTT注：ip 工具由 iproute 安裝包提供，此安裝包版本與內核版本相近）。更新好後，ip netns list 在沒有命名空間存在的情況下不會輸出任務信息。加個名為“ns1”的命名空間看看：

   
復制代碼代碼如下:root@w:~# ip netns add ns1
root@w:~# ip netns list
ns1

列出網卡：

   
復制代碼代碼如下:root@w:~# ip link list
1: lo: mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: eth0: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UNKNOWN mode DEFAULT qlen 1000
link/ether 00:0c:29:65:25:9e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

創建新的虛擬網卡，並加到命名空間。虛擬網卡需要成對創建，互相關聯——就像交叉電纜一樣：

   
復制代碼代碼如下:root@w:~# ip link add veth0 type veth peer name veth1
root@w:~# ip link list
1: lo: mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: eth0: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UNKNOWN mode DEFAULT qlen 1000
link/ether 00:0c:29:65:25:9e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: veth1: mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
link/ether d2:e9:52:18:19:ab brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
4: veth0: mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
link/ether f2:f7:5e:e2:22:ac brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

這個時候 ifconfig -a 命令也能顯示新添加的 veth0 和 veth1 兩塊網卡。

很好，現在將這兩份塊網卡加到命名空間中去。注意一下，下面的 ip netns exec 命令用於將後面的命令在命名空間中執行（LCTT注：下面的結果顯示了在 ns1 這個網絡命名空間中，只存在 lo 和 veth1 兩塊網卡）：

   
復制代碼代碼如下: root@w:~# ip link set veth1 netns ns1
root@w:~# ip netns exec ns1 ip link list
1: lo: mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
3: veth1: mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
link/ether d2:e9:52:18:19:ab brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

這個時候 ifconfig -a 命令只能顯示 veth0，不能顯示 veth1，因為後者現在在 ns1 命名空間中。

如果想刪除 veth0/veth1，可以執行下面的命令：

   
復制代碼代碼如下:ip netns exec ns1 ip link del veth1

我們可以為 veth0 分配 IP 地址：

   
復制代碼代碼如下: ifconfig veth0 192.168.5.5/24

在命名空間內為 veth1 分配 IP 地址：

   
復制代碼代碼如下:ip netns exec ns1 ifconfig veth1 192.168.5.10/24 up

在命名空間內外執行 ip addr list 命令：

   
復制代碼代碼如下:root@w:~# ip addr list
1: lo: mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UNKNOWN qlen 1000
link/ether 00:0c:29:65:25:9e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.3.122/24 brd 192.168.3.255 scope global eth0
inet6 fe80::20c:29ff:fe65:259e/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
6: veth0: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP qlen 1000
link/ether 86:b2:c7:bd:c9:11 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.5.5/24 brd 192.168.5.255 scope global veth0
inet6 fe80::84b2:c7ff:febd:c911/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
root@w:~# ip netns exec ns1 ip addr list
1: lo: mtu 65536 qdisc noop state DOWN
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
5: veth1: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP qlen 1000
link/ether 12:bd:b6:76:a6:eb brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.5.10/24 brd 192.168.5.255 scope global veth1
inet6 fe80::10bd:b6ff:fe76:a6eb/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever

在命名空間內外查看路由表：

   
復制代碼代碼如下:root@w:~# ip route list
default via 192.168.3.1 dev eth0 proto static
192.168.3.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.3.122
192.168.5.0/24 dev veth0 proto kernel scope link src 192.168.5.5
root@w:~# ip netns exec ns1 ip route list
192.168.5.0/24 dev veth1 proto kernel scope link src 192.168.5.10

最後，將虛擬網卡連到物理網卡上，我們需要用到橋接。這裡做的是將 veth0 橋接到 eth0，而 ns1 命名空間內則使用 DHCP 自動獲取 IP 地址：

   
復制代碼代碼如下:root@w:~# brctl addbr br0
root@w:~# brctl addif br0 eth0
root@w:~# brctl addif br0 veth0
root@w:~# ifconfig eth0 0.0.0.0
root@w:~# ifconfig veth0 0.0.0.0
root@w:~# dhclient br0
root@w:~# ip addr list br0
7: br0: mtu 1500 qdisc noqueue state UP
link/ether 00:0c:29:65:25:9e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.3.122/24 brd 192.168.3.255 scope global br0
inet6 fe80::20c:29ff:fe65:259e/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever

為網橋 br0 分配的 IP 地址為192.168.3.122/24。接下來為命名空間分配地址：

   
復制代碼代碼如下:root@w:~# ip netns exec ns1 dhclient veth1
root@w:~# ip netns exec ns1 ip addr list
1: lo: mtu 65536 qdisc noop state DOWN
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
5: veth1: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP qlen 1000
link/ether 12:bd:b6:76:a6:eb brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.3.248/24 brd 192.168.3.255 scope global veth1
inet6 fe80::10bd:b6ff:fe76:a6eb/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever

現在， veth1 的 IP 被設置成 192.168.3.248/24 了。