Docker 之 Namespace 资源隔离

什么是 Namespace

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。

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。

最新的 Linux 5.6 内核中提供了 8 种类型的 Namespace：

Namespace名称	隔离内容	内核版本
mount（mnt）	隔离挂载点（文件系统）	2.4.19
Process ID （PID）	隔离进程 ID	2.6.24
Network (net)	隔离网络设备、网络栈、端口号等	2.6.29
Interprocess Communication (IPC)	隔离信号量、消息队列和共享内存	2.6.19
UTS Namespace(UTS)	隔离主机名和域名	2.6.19
User Namespace (user)	隔离用户和用户组	3.8
Control groupNamespace (Cgroup)	隔离 Cgroups 根目录	4.6
Time Namespace	隔离系统时间	5.6

Linux 内核提供了8种 Namespace，目前 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。

Docker 为什么需要 Namespace

Linux 内核从 2002 年 2.4.19 版本开始加入了 Mount Namespace，而直到内核 3.8 版本加入了 User Namespace 才为容器提供了足够的支持功能。

当 Docker 新建一个容器时会创建这六种 Namespace，然后将容器中的进程加入这些 Namespace 之中，使得 Docker 容器中的进程只能看到当前 Namespace 中的系统资源。

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。

目前 Docker 使用的 6 种 Namespace 的作用分别是什么。通过一个命令行工具 unshare来演示操作。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。

（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。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。

使用以下命令创建一个 bash 进程并且新建一个 mount Namespace：

[root@weijing ~]# unshare --mount --fork /bin/bash

执行完上述命令后，这时我们已经在主机上创建了一个新的 mount Namespace，并且当前命令行窗口加入了新创建的 Mount Namespace。下面我通过一个例子来验证下，在独立的 mount Namespace 内创建挂载目录是不影响主机的挂载目录的。

在 /tmp 目录下创建一个目录。使用 mount 命令挂载一个 tmpfs 类型的目录。

[root@weijing ~]# mkdir /tmp/tmpfs
[root@weijing ~]# mount -t tmpfs -o size=20m tmpfs /tmp/tmpfs

使用 df 命令查看一下已经挂载的目录信息：

[root@weijing ~]# 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

可以看到 /tmp/tmpfs 目录已经被正确挂载。为了验证主机上并没有挂载此目录，我们新打开一个命令行窗口，同样执行 df 命令查看主机的挂载信息：

[root@weijing ~]# 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

通过上面输出可以看到主机上并没有挂载 /tmp/tmpfs，可见我们独立的 Mount Namespace 中执行 mount 操作并不会影响主机。

为了进一步验证，我们继续在当前命令行窗口查看一下当前进程的 Namespace 信息，命令如下：

[root@weijing ~]# 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]

然后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：

[root@weijing ~]# 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:[4026531840]
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]]

通过对比两次命令的输出结果，我们可以看到，除了 mount Namespace 的 ID 值不一样外，其他Namespace 的 ID 值均一致。

通过以上结果得知，使用 unshare 命令可以新建 mount Namespace，并且在新建的 Mount Namespace 内 mount 是和外部完全隔离的。

（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。

下面通过一个实例来演示下 PID Namespace的作用。首先使用以下命令创建一个 bash 进程，并且新建一个 PID Namespace：

[root@weijing ~]# unshare --pid --fork --mount-proc /bin/bash

执行完上述命令后在主机上创建了一个新的 PID Namespace，并且当前命令行窗口加入了新创建的 PID Namespace。在当前的命令行窗口使用 ps aux 命令查看一下进程信息：

[root@weijing ~]#  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

通过上述命令输出结果可以看到当前 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。例如我们的主机名称为weijing，使用 UTS Namespace 可以实现在容器内的主机名称为 weijingdocker 或者其他任意自定义主机名。

通过一个实例来验证下 UTS Namespace 的作用，首先我们使用 unshare 命令来创建一个 UTS Namespace：

[root@weijing ~]# unshare --uts --fork /bin/bash

创建好 UTS Namespace 后，当前命令行窗口已经处于一个独立的 UTS Namespace 中，下面我们使用 hostname 命令（hostname 可以用来查看主机名称）设置一下主机名：

[root@weijing ~]# hostname -b weijingdocker
[root@weijing ~]# hostname
weijingdocker

可以看到当前UTS Namespace 内的主机名已经被修改为 weijingdocker。然后我们新打开一个命令行窗口，使用相同的命令查看一下主机的 hostname：

[root@weijing ~]# hostnameweijing

可以看到主机的名称仍然为 weijing，并没有被修改。由此可以验证 UTS Namespace 可以用来隔离主机名。

（4）IPC Namespace

IPC Namespace 主要是用来隔离进程间通信的。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。

通过一个实例来验证下IPC Namespace的作用，首先我们使用 unshare 命令来创建一个 IPC Namespace：

[root@weijing ~]# unshare --ipc --fork /bin/bash

需要借助两个命令来实现对 IPC Namespace 的验证。

ipcs -q 命令：用来查看系统间通信队列列表。
ipcmk -Q 命令：用来创建系统间通信队列。

首先使用 ipcs -q 命令查看一下当前 IPC Namespace 下的系统通信队列列表：

[root@weijing ~]# ipcs -q
------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages

可以看到当前无任何系统通信队列，使用 ipcmk -Q 命令创建一个系统通信队列：

[root@weijing ~]# 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@weijing ~]# ipcs -q
------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages
0x73682a32 0          root       644        0            0

可以看到已经成功创建了一个系统通信队列。然后我们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：

[root@weijing ~]# ipcs -q
------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages

通过以上可以发现，在单独的 IPC Namespace 内创建的系统通信队列在主机上无法看到。即 IPC Namespace 实现了系统通信队列的隔离。

（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。

User Namesapce 的创建是可以不使用 root 权限的。下面我们以普通用户的身份创建一个 User Namespace，命令如下：

[root@weijing ~]# unshare --user -r /bin/bash

CentOS7 默认允许创建的 User Namespace 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，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@weijing ~]# id
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root),65534(nfsnobody) context=unconfined_u:unconfined_r:unconfined_t:s0-s0:c0.c1023

通过上面的输出可以看到我们在新的 User Namespace 内已经是 root 用户了。下面我们使用只有主机 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@weijing ~]# reboot
Failed to open /dev/initctl: Permission denied
Failed to talk to init daemon.

可以看到在新创建的 User Namespace 内虽然是 root 用户，但是并没有权限执行 reboot 命令。这说明在隔离的 User Namespace 中，并不能获取到主机的 root 权限，也就是说 User Namespace 实现了用户和用户组的隔离。

（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。

使用 ip add 命令查看一下主机上的网络信息：

# ip add
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> 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: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> 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: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> 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

然后使用以下命令创建一个 Net Namespace：

[root@weijing ~]# unshare --net --fork /bin/bash

同样的我们使用 ip add 命令查看一下网络信息：

[root@weijing ~]# ip add
1: lo: <LOOPBACK> 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

可以看到，宿主机上有 lo、eth0、docker0 等网络设备，而我们新建的 Net Namespace 内则与主机上的网络设备不同。

小结

至此我们已经了解了什么是 Namespace。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 正是结合了这六种 Namespace 的功能，才诞生了 Docker 容器。

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