容器核心技术--Namespace

上文提到，容器技术的核心有两个：Namespace 和 Cgroup。本节先来介绍 Namespace 是什么。

简单来说，Namespace 可以为容器提供系统资源隔离能力。

当然，这样讲过于笼统，我们来举个例子：假如一个容器中的进程需要使用 root 权限，出于安全考虑，我们不可能把宿主机的 root 权限给他。但是通过 Namespace 机制，我们可以隔离宿主机与容器的真实用户资源，谎称一个普通用户就是 root，骗过这个程序。从这个角度看，Namespace 就是内核对进程说谎的机制，目前（Linux最新的稳定版本为5.6），内核可以说的谎话有 8 种：

1. Namespace 详解

1.1 Mount Namespace

Mount Namespace 用来隔离文件系统的挂载点，不同的 Mount namespace 拥有各自独立的挂载点信息。在 Docker 这样的容器引擎中，Mount namespace 的作用就是保证容器中看到的文件系统的视图。

1.2 UTS Namespace

UTS Namespace 用来隔离系统的主机名、hostname 和 NIS 域名。

1.3 IPC Namespace

IPC 就是在不同进程间传递和交换信息。IPC Namespace 使得容器内的所有进程，进行的数据传输、共享数据、通知、资源共享等范围控制在所属容器内部，对宿主机和其他容器没有干扰。

1.4 PID Namespace

PID namespaces用来隔离进程的 ID 空间，使得不同容器里的进程 ID 可以重复，相互不影响。

1.5 Network Namespace

Network namespace 用来隔离网络，每个 namespace 可以有自己独立的网络栈，路由表，防火墙规则等。

1.6 user namespace

user namespace 是例子中讲到的，控制用户 UID 和 GID 在容器内部和宿主机上的一个映射，主要用来管理权限。

1.7 Time namespace

这个 Namespace 允许操作系统为进程设定不同的系统时间。

1.8 Cgroup Namespace

这个 Namespace 用来限制 CGroup 根目录下不同层级目录的权限，使得 CGROUP 根目录下的子目录的进程无法影响到父目录。

2. 实践出真知

2.1 感受 Namespace

讲了那么多理论，Namespace 能不能让我们直接观察到呢？

让我们进入 Linux 环境，执行如下操作：

# 进入/proc/目录
cd /proc/
# 查看当前目录下有哪些文件或目录
ls
# 随便进入一个以数字（进程号）命名的目录，比如1
cd 1
# 查看ns（Namespace）目录下的内容
ls -al ns

当前目录下红色的链接，就是这个进程对应的 Namespace。

有兴趣的读者可以看看其他不同进程的 Namespace，比对下是否有差异。如果你找到某个进程的Namespace 与其他的不一致，就说明这个进程指定了 Namespace 隔离。

2.2 使用 Namespace 自制简易容器

将以下代码保存到/root/test/container.c

#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()
{
        char ch;
        close(pipefd[1]);
        read(pipefd[0], &ch, 1);
        sethostname("container",10);

        /* Mount Namespace */
        mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);
        mount("none", "/tmp", "tmpfs", 0, "");

        execv(container_args[0], container_args);
        return 1;
}

int main()
{
        const int gid=getgid(), uid=getuid();

        pipe(pipefd);

        int container_pid = clone(container_main, container_stack+STACK_SIZE,
            CLONE_NEWCGROUP|CLONE_NEWIPC|CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | CLONE_NEWUSER | SIGCHLD, NULL);
        set_uid_map(container_pid, 0, uid, 1);
        set_gid_map(container_pid, 0, gid, 1);
        close(pipefd[1]);
        waitpid(container_pid, NULL, 0);
        return 0;
}

我们不用读懂这个代码，只需要留意下 main 主函数中这部分

int container_pid = clone(container_main, container_stack+STACK_SIZE,
                    CLONE_NEWCGROUP|CLONE_NEWIPC|CLONE_NEWNET|CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | CLONE_NEWUSER | SIGCHLD, NULL);

这段代码 调用 clone 实现线程的系统调用，用来创建一个新的进程，并可以通过设计上述参数达到隔离。

执行下面的操作

# 安装可能需要的依赖
sudo dnf install -y libcap-devel
# 编译这个文件
cc container.c -o container
# 运行
./container

执行我们编译好的container程序后，发现我们处于一个新的环境的终端中，你可以在这里验证你的猜测，比如查看当前环境的进程 ps，当前登录的用户 whoami，网络状况 ip a等等，使用exit 可以退出回到原来的环境。
我们确实通过系统调用，创建了一个与宿主机资源隔离的容器环境。

3. 小结

本节我们介绍了 Namespace 机制，和它的 8 种隔离类型，并实现了一具有命名空间隔离功能的“容器”，在这个过程中，希望大家对容器和 Namespace 机制有了更深入的理解。