Linux Namespace

Linux namespaces 介绍

namespaces是Linux内核用来隔离内核资源的方式。通过namespaces可以让一些进程只能看到与自己相关的那部分资源。而其它的进程也只能看到与他们自己相关的资源。这两拨进程根本感知不到对方的存在。而它具体的实现细节是通过Linux namespaces来实现的。

总结: Linux namespaces对系统进程进行轻量的虚拟化隔离。

当前Linux内核只支持6中namespaces:

● mnt(mount points, filesystems)

● pid(process)

● net(network stack)

● ipc(System V IPC)

● uts(hostname)

● user(UIDs)

下面是Linux Kernel版本迭代过程中对这6中namespaces的支持情况及对应的flag:

最初打算对Linux内核支持10种namespaces,但是下面的4中没有实现:

● security namespace

● security keys namespaces

● device namespace

● time namespace

接下来先介绍namespace的API,然后在针对Linux内核现在支持的6中namespace分别进行介绍。

代码测试环境：ubuntu20.04.2，kernel版本：5.4.0-182-generic

Namespaces API 介绍

下面3个系统调用API会被用于namespaces:

● clone(): 用于创建新的进程同时创建新的namespaces。并且新的进程会被attach到新的namespace里面。

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack,
       int flags, void *arg, .../* pid_t *ptid, void *newtls, pid_t *ctid */ );

● 参数child_func传入子进程运行的程序主函数。

● 参数child_stack传入子进程使用的栈空间

● 参数flags表示使用哪些CLONE_*标志位

● 参数args则可用于传入用户参数

ClONE_NEW* flag有20多被包含在include/linux/sched.h头文件中。

● unshare(): 不会创建新的进程，但是会创建新的namesapce并把当前的进程attach到该namespace里面。

int unshare(int flags);

● setns(): 将进程attach到一个已经存在的namespace里面。

int setns(int fd, int nstype);

● 参数fd表示我们要加入的namespace的文件描述符。如:/proc/[pid]/ns下面对应的文件描述符。

● 参数nstype让调用者可以去检查fd指向的namespace类型是否符合我们实际的要求。如果填0表示不检查。

namespace 实践

为了最好的体验还是在 Linux 内核 3.8 以上的系统上进行（这里使用的 Ubuntu 20.04.2, kernel版本：5.4.0-182-generic）。为什么不用 docker for windows 或者 docker for mac 呢？因为这两个其实还是是在 linux 虚拟机上运行 docker 的，docker for windows 需要将 linux 虚拟机装在开启 hyper-v 的 win10 专业版上，而 docker for mac 使用通过 HyperKit 运行 linux 虚拟机。为了方便，使用 c语言代码来演示循序渐进的达到 Docker 的体验。

UTS Namespace

UTS namespace提供了主机名和域名的隔离，这样每一个容器就可以拥有独立的主机名和域名，在网络上可以被视为一个独立的节点而非宿主机上的一个进程。

下面让我们来看下UTS的隔离效果，测试代码如下:

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <sched.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>#define STACK_SIZE (1024*1024)static char child_stack[STACK_SIZE];
char* const child_args[] = {"/bin/bash",
	NULL
};int child_main(void* args){
	printf("in child process!\n");
	sethostname("changed namespace", 12);
	execv(child_args[0], child_args);return 1;
}int main(){
	printf("program begin: \n");
	int child_pid = clone(child_main, child_stack + STACK_SIZE, SIGCHLD|CLONE_NEWUTS, NULL);
	waitpid(child_pid, NULL, 0);
	printf("quit\n");return 0;
}

主要是main中在调用clone函数创建新进程及新namespace的时候，传递了CLONE_NEWUTS flag，用于对主机名和域名的隔离。

如果没有gcc需要先安装gcc环境

编译并运行程序会发现主机名发生了变化。

root@double:~# gcc -Wall uts.c -o uts && ./uts
program begin: 
in child process!
root@changed name:~# hostname
changed name
root@changed name:~# exit
exit
quit

每个容器的主机名不同就是使用UTS Namespace机制实现的。

IPC Namespace

容器中进程间的通信采用的方式包括: 信号量，消息队列和共享内存。与虚拟机不同的是，容器内部进程间通信对宿主机来说，实际上是具有相同的PID namespace中的进程间通信，因此需要一个而唯一的标识符来进行区别。申请IPC资源就申请了这样一个全局唯一的32位ID，所以IPC namespace中实际上包含了系统IPC标识符以及实现POSIX消息队列的文件系统。在同一个IPC namespace下的进程彼此可见，而与其他的IPC namespace下的进程则互相不可见。

下面我们来看下IPC的隔离效果，测试代码如下:

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <sched.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>#define STACK_SIZE (1024*1024)static char child_stack[STACK_SIZE];
char* const child_args[] = {
	"/bin/bash",
	NULL
};int child_main(void* args){
	printf("in child process!\n");
	sethostname("changed namespace", 12);
	execv(child_args[0], child_args);
	return 1;
}int main(){
	printf("program begin: \n");
	int child_pid = clone(child_main, child_stack + STACK_SIZE, SIGCHLD | CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWIPC, NULL);
	waitpid(child_pid, NULL, 0);
	printf("quit\n");
	return 0;
}

main函数中调用clone函数创建新进程同时创建新namespaces的时候，传递CLONE_NEWIPCflag, 来实现进程间IPC的隔离。

在运行程序的时候，为了方便测试进程间通信是否被真正的隔离了，

1. 首先我们先使用ipcmk -Q命令创建一个queue:

root@double:~# ipcmk -Q
Message queue id: 0

2. 使用ipcs -q查看queue是否创建成功:

root@double:~# ipcs -q------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    
0xe594be1e 0          root       644        0            0

3. 编译并运行ipc.c代码对IPC进行隔离并进行验证:

root@double:~# gcc -Wall ipc.c -o ipc && ./ipc
program begin: 
in child process!
root@changed name:~# ipcs -q------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages

从运行的结果来看，已经找不到原先声明的message queue，实现了IPC的隔离。

PID Namespace

PID namespace隔离非常实用，它对进程PID重新标号,即两个不同的namespace下的进程可以拥有同一个PID。每一个PID namespace都有字的计数程序。内核为所有的PID namespace维护了一个树状结构，最顶层的是系统初始时创建的,即root namespace。他创建的新的PID namespace称child namespace。通过这种方式，不同的PID namespace会形成一个等级的体系。所属的父节点可以看到子节点中的进程，并可以通过信号等方式对子节点中的进程产生影响。反过来，子节点不能看到父节点PID namespace中的任何内容。

由此产生如下结论：

● 每个PID namespace中的第一个进程“PID 1“，都会像传统Linux中的init进程一样拥有特权，起特殊作用。

● 一个namespace中的进程，不可能通过kill或ptrace影响父节点或者兄弟节点中的进程，因为其他节点的PID在这个namespace中没有任何意义。

● 如果你在新的PID namespace中重新挂载/proc文件系统，会发现其下只显示同属一个PID namespace中的其他进程。

● 在root namespace中可以看到所有的进程，并且递归包含所有子节点中的进程。

●

下面我们来看下对PID的隔离效果，测试代码如下:

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <sched.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>#define STACK_SIZE (1024*1024)static char child_stack[STACK_SIZE];
char* const child_args[] = {
	"/bin/bash",
	NULL
};int child_main(void* args){
	printf("in child process!\n");
	sethostname("changed namespace", 12);
	execv(child_args[0], child_args);
	return 1;
}int main(){
	printf("program begin: \n");
	int child_pid = clone(child_main, child_stack + STACK_SIZE, SIGCHLD | CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWIPC | CLONE_NEWPID, NULL);
	waitpid(child_pid, NULL, 0);
	printf("quit\n");
	return 0;
}

main函数中调用clone函数创建新的进程同时创建新的namespace的时候，传递CLONE_NEWPID flag。来实现对PIDg隔离。

让我们编译并运行代码，看下效果：

root@double:~# vi pid.c
root@double:~# gcc -Wall pid.c -o pid && ./pid
program begin: 
in child process!
root@changed name:~# echo $$
1
root@changed name:~# ps aux

我们可以看到，子进程的pid是1了，但是，我们会发现，在子进程的shell里输入ps,top等命令，我们还是可以看得到所有进程。说明并没有完全隔离。这是因为，像ps, top这些命令会去读/proc文件系统，所以，因为/proc文件系统在父进程和子进程都是一样的，所以这些命令显示的东西都是一样的。

所以，我们还需要对文件系统进行隔离。

Mount Namespace

Mount namespace通过隔离文件系统挂载点对隔离文件系统提供支持。隔离后，不同的mount namespace中的文件结构发生变化也互不影响。你可以通过/proc/[pid]/mounts查看到所有挂载在当前namesapce中的文件系统，还可以通过/proc/[pid]/mountstats看到mount namespace中文件设备的统计信息，包括挂载的文件名称，文件系统类型，挂载位置等等。

进程在创建mount namespace的时候，会把当前结构复制给新的namespace。新的namespace中的所有mount操作都影响自身的文件系统，而对外界不会产生任何影响。这样做就严格地实现了隔离。

让我们来对文件系统进行隔离，测试的代码如下:

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/mount.h>
#include <stdio.h>
#include <sched.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>#define STACK_SIZE (1024 * 1024)
// sync primitive
int checkpoint[2];
static char child_stack[STACK_SIZE];
char* const child_args[] = {
	"/bin/bash",
	NULL
};int child_main(void* arg) {
	char c;
	// init sync primitive
	close(checkpoint[1]);
	// setup hostname
	sethostname("changed namespace", 12);
	// remount "/proc" to get accurate "top" && "ps" output
	mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);
	// wait...
	read(checkpoint[0], &c, 1);
	execv(child_args[0], child_args);
	printf("Ooops\n");
	return 1;
}
int main() {
	// init sync primitive
	pipe(checkpoint);
	int child_pid = clone(child_main, child_stack+STACK_SIZE,
	  CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWIPC | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | SIGCHLD, NULL);
	// further init here (nothing yet)
	// signal "done"
	close(checkpoint[1]);
	waitpid(child_pid, NULL, 0);
	printf("quit!\n");
	return 0;
}

main函数中调用clone函数创建新进程同时创建新的namespace时，需要增加CLONE_NEWNS flag。来实现对Mount namespace的隔离。

下面让我们编译并运行下程序来验证是否实现了对文件系统的隔离。

root@double:~# gcc -Wall mntns.c -o mnt && ./mnt
root@changed name:~# ps aux
USER         PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root           1  0.0  0.2   9836  3952 pts/2    S    18:08   0:00 /bin/bash
root           8  0.0  0.1  11488  3288 pts/2    R+   18:08   0:00 ps aux

上面，我们可以看到只有两个进程，而且pid=1的进程是我们的/bin/bash。我们还可以看到/proc目录下也干净了很多：

root@changed name:~# ls /proc
1          bus       cpuinfo    dma          filesystems  ioports   keys         kpagecount  mdstat   mounts        partitions   scsi      stat           sysvipc      uptime             vmstat
9          cgroups   crypto     driver       fs           irq       key-users    kpageflags  meminfo  mtrr          pressure     self      swaps          thread-self  version            zoneinfo
acpi       cmdline   devices    execdomains  interrupts   kallsyms  kmsg         loadavg     misc     net           sched_debug  slabinfo  sys            timer_list   version_signature
buddyinfo  consoles  diskstats  fb           iomem        kcore     kpagecgroup  locks       modules  pagetypeinfo  schedstat    softirqs  sysrq-trigger  tty          vmallocinfo
关于mount相关的知识很多。这里就具体的详细介绍了，如果感兴趣可以看下:

Mount namespaces and shared subtrees

mount a filesystem

User Namespace

注意:User namespace是Linux内核(Linux 3.8)最后支持的namespace，所以有的版本的系统内核可能还没有对该namespace支持。

User namespace主要隔离了安全相关的标识符和属性，包括用户ID,用户组ID,root目录等。通俗点就是: 一个普通用户的进程通过clone()创建新的进程在新user namespace中可以拥有不同的用户和用户组。这意味着一个进程在容器外属于一个没有特殊权限的普通用户，但是它创建的容器进程却属于拥有所有权限的超级用户，这个技术为容器提供了极大的自由。

Linux中，特权用户的user ID是0，演示的最终我们将看到user ID非0的进程启动user namespace后user ID可以变为0。使用user namespace的方法和其它的namespace的使用方式没有太大的区别。即调用clone()的时候，需要加入CLONE_NEWUSER标识位。

让我们来看下user namespace的隔离效果，测试代码如下:

#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/mount.h>
#include <sys/capability.h>
#include <stdio.h>
#include <sched.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>#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;
}

在编译并执行代码之前，我们先来看下当前的用户uid和gid.(需以普通用户执行)

$ id
uid=1000(double) gid=1000(double) groups=1000(double)

现在编译并运行我们的代码来验证user namespace是否隔离成功：

注意: 如果编译时如下报错:

$ gcc userns.c -Wall -lcap -o userns && ./userns
userns.c:7:10: fatal error: sys/capability.h: No such file or directory
    7 | #include <sys/capability.h>
      |          ^~~~~~~~~~~~~~~~~~
compilation terminated.

则在ubuntu编译则需要安装libcap-dev包,如果在centos上编译则需要安装libcap-devel包。

重新执行

$ gcc userns.c -Wall -lcap -o userns && ./userns
Parent: eUID = 1000;  eGID = 1000, UID=1000, GID=1000
Parent [ 9527] - start a container!
Parent [ 9527] - Container [ 9528]!
Parent [ 9527] - user/group mapping done!
Container [    1] - inside the container!
Container: eUID = 0;  eGID = 65534, UID=0, GID=65534
Container [    1] - setup hostname!

我们可以看到容器里的用户和命令行提示符是root用户了

root@container:~# id
uid=0(root) gid=65534(nogroup) groups=65534(nogroup)

Network Namespace

总结

容器的隔离实现基本就是通过Linux内核提供的这6种namespace实现。但是容器依旧没有实现完全的环境隔离。比如: SELinux，Cgroups以及/sys，/proc/sys, /dev/sd*等目录下的资源依据是没有被隔离的。因此我们通常使用的ps， top命令查看到的数据依旧是宿主机的数据。因为它们的数据来源于/proc等目录下的文件。如果想要在可视化的角度来实现这方便的可视化隔离。可以看看之前调研的lxcfs对docker容器隔离。