详解Linux中的命名空间

Shun

这篇文章主要介绍了详解Linux中的命名空间,主要是进程相关的分配问题,本文示例环境为Debian系统,需要的朋友可以参考下
背景
从Linux 2.6.24版的内核开始，Linux 就支持6种不同类型的命名空间。它们的出现，使用户创建的进程能够与系统分离得更加彻底，从而不需要使用更多的底层虚拟化技术。
CLONE_NEWIPC: 进程间通信(IPC)的命名空间，可以将 SystemV 的 IPC 和 POSIX 的消息队列独立出来。
    CLONE_NEWPID: 进程命名空间。空间内的PID 是独立分配的，意思就是命名空间内的虚拟 PID 可能会与命名空间外的 PID 相冲突，于是命名空间内的 PID 映射到命名空间外时会使用另外一个 PID。比如说，命名空间内第一个 PID 为1，而在命名空间外就是该 PID 已被 init 进程所使用。
    CLONE_NEWNET: 网络命名空间，用于隔离网络资源（/proc/net、IP 地址、网卡、路由等）。后台进程可以运行在不同命名空间内的相同端口上，用户还可以虚拟出一块网卡。
    CLONE_NEWNS: 挂载命名空间，进程运行时可以将挂载点与系统分离，使用这个功能时，我们可以达到 chroot 的功能，而在安全性方面比 chroot 更高。
    CLONE_NEWUTS: UTS 命名空间，主要目的是独立出主机名和网络信息服务（NIS）。
    CLONE_NEWUSER: 用户命名空间，同进程 ID 一样，用户 ID 和组 ID 在命名空间内外是不一样的，并且在不同命名空间内可以存在相同的 ID。
下面我们介绍一下进程命名空间和网络命名空间。
进程命名空间
本文用 C 语言介绍上述概念，因为演示进程命名空间的时候需要用到 C 语言。下面的测试过程在 Debian 6 和 Debian 7 上执行。首先，在栈内分配一页内存空间，并将指针指向内存页的末尾。这里我们使用 alloca() 函数来分配内存，不要用 malloc() 函数，它会把内存分配在堆上。
代码如下:

void *mem = alloca(sysconf(_SC_PAGESIZE)) + sysconf(_SC_PAGESIZE);

然后使用 clone() 函数创建子进程，传入我们的子栈空间地址 "mem"，并指定命名空间的标记。同时我们还指定“callee”作为子进程运行的函数。
代码如下:

mypid = clone(callee, mem, SIGCHLD | CLONE_NEWIPC | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | CLONE_FILES, NULL);

clone 之后我们要在父进程中等待子进程先退出，否则的话，父进程会继续运行下去，并马上进程结束，留下子进程变成孤儿进程：
代码如下:

while (waitpid(mypid, &r, 0) < 0 && errno == EINTR)
{
continue;
}

最后当子进程退出后，我们会回到 shell 界面，并返回子进程的退出码。
代码如下:

if (WIFEXITED(r))
{
return WEXITSTATUS(r);
}
return EXIT_FAILURE;

上文介绍的 callee 函数功能如下：
代码如下:

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;
}

程序挂载了 /proc 文件系统，设置用户 ID 和组 ID，值都为“u”，然后运行 /bin/bash 程序，LXC 是一个操作系统级的虚拟化工具，使用 cgroups 和命名空间来完成资源的分离。现在我们把所有代码放在一起，变量“u”的值设为65534，在 Debian 系统中，这是“nobody”和“nogroup”：
代码如下:

#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;
}

执行以下命令来运行上面的代码：
代码如下:

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$

注意上面的结果，UID 和 GID 被设置成 nobody 和 nogroup 了，特别是 ps 工具只输出两个进程，它们的 ID 分别是1和5（LCTT注：这就是上文介绍 CLONE_NEWPID 时提到的功能，在线程所在的命名空间内，进程 ID 可以为1，映射到命名空间外是另外一个 PID；而命名空间外的 ID 为1的进程一直是 init）。
网络命名空间
接下来轮到使用 ip netns 来设置网络的命名空间。第一步先确定当前系统没有命名空间：
代码如下:

root@w:~# ip netns list
Object "netns" is unknown, try "ip help".

如果报了上述错误，你需要更新你的系统内核，以及 ip 工具程序。这里假设你的内核版高于2.6.24，ip 工具版本也差不多，高于2.6.24（LCTT注：ip 工具由 iproute 安装包提供，此安装包版本与内核版本相近）。更新好后，ip netns list 在没有命名空间存在的情况下不会输出任务信息。加个名为“ns1”的命名空间看看：
代码如下:

root@w:~# ip netns add ns1
root@w:~# ip netns list
ns1

列出网卡：
代码如下:

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

创建新的虚拟网卡，并加到命名空间。虚拟网卡需要成对创建，互相关联——就像交叉电缆一样：
代码如下:

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

这个时候 ifconfig -a 命令也能显示新添加的 veth0 和 veth1 两块网卡。
很好，现在将这两份块网卡加到命名空间中去。注意一下，下面的 ip netns exec 命令用于将后面的命令在命名空间中执行（LCTT注：下面的结果显示了在 ns1 这个网络命名空间中，只存在 lo 和 veth1 两块网卡）：
代码如下:

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

这个时候 ifconfig -a 命令只能显示 veth0，不能显示 veth1，因为后者现在在 ns1 命名空间中。
如果想删除 veth0/veth1，可以执行下面的命令：
代码如下:

ip netns exec ns1 ip link del veth1

我们可以为 veth0 分配 IP 地址：
代码如下:

ifconfig veth0 192.168.5.5/24

在命名空间内为 veth1 分配 IP 地址：
代码如下:

ip netns exec ns1 ifconfig veth1 192.168.5.10/24 up

在命名空间内外执行 ip addr list 命令：
代码如下:

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

在命名空间内外查看路由表：
代码如下:

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

最后，将虚拟网卡连到物理网卡上，我们需要用到桥接。这里做的是将 veth0 桥接到 eth0，而 ns1 命名空间内则使用 DHCP 自动获取 IP 地址：
代码如下:

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

为网桥 br0 分配的 IP 地址为192.168.3.122/24。接下来为命名空间分配地址：
代码如下:

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

现在， veth1 的 IP 被设置成 192.168.3.248/24 了。