57 | Namespace技术：内部创业公司应该独立运营

上一节我们讲了 Docker 的基本原理，今天我们来看一下，“看起来隔离的”技术 namespace 在内核里面是如何工作的。

既然容器是一种类似公司内部创业的技术，我们可以设想一下，如果一个创新项目要独立运营，应该成立哪些看起来独立的组织和部门呢？

首先是用户管理，咱们这个小分队应该有自己独立的用户和组管理体系，公司里面并不是任何人都知道我们在做什么。

其次是项目管理，咱们应该有自己独立的项目管理体系，不能按照大公司的来。

然后是档案管理，咱们这个创新项目的资料一定要保密，要不然创意让人家偷走了可不好。

最后就是合作部，咱们这个小分队还是要和公司其他部门或者其他公司合作的，所以需要一个外向的人来干这件事情。

对应到容器技术，为了隔离不同类型的资源，Linux 内核里面实现了以下几种不同类型的 namespace。

• UTS，对应的宏为 CLONE_NEWUTS，表示不同的 namespace 可以配置不同的 hostname。
• User，对应的宏为 CLONE_NEWUSER，表示不同的 namespace 可以配置不同的用户和组。
• Mount，对应的宏为 CLONE_NEWNS，表示不同的 namespace 的文件系统挂载点是隔离的
• PID，对应的宏为 CLONE_NEWPID，表示不同的 namespace 有完全独立的 pid，也即一个 namespace 的进程和另一个 namespace 的进程，pid 可以是一样的，但是代表不同的进程。
• Network，对应的宏为 CLONE_NEWNET，表示不同的 namespace 有独立的网络协议栈。

还记得咱们启动的那个容器吗？

# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE               COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS                  NAMES
f604f0e34bc2        testnginx:1         "/bin/sh -c 'nginx -…"   17 hours ago        Up 17 hours         0.0.0.0:8081->80/tcp   youthful_torvalds
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我们可以看这个容器对应的 entrypoint 的 pid。通过 docker inspect 命令，可以看到，进程号为 58212。

[root@deployer ~]# docker inspect f604f0e34bc2
[
    {
        "Id": "f604f0e34bc263bc32ba683d97a1db2a65de42ab052da16df3c7811ad07f0dc3",
        "Created": "2019-07-15T17:43:44.158300531Z",
        "Path": "/bin/sh",
        "Args": [
            "-c",
            "nginx -g \"daemon off;\""
        ],
        "State": {
            "Status": "running",
            "Running": true,
            "Pid": 58212,
            "ExitCode": 0,
            "StartedAt": "2019-07-15T17:43:44.651756682Z",
            "FinishedAt": "0001-01-01T00:00:00Z"
        },
......
        "Name": "/youthful_torvalds",
        "RestartCount": 0,
        "Driver": "overlay2",
        "Platform": "linux",
        "HostConfig": {
            "NetworkMode": "default",
            "PortBindings": {
                "80/tcp": [
                    {
                        "HostIp": "",
                        "HostPort": "8081"
                    }
                ]
            },
......
        },
        "Config": {
            "Hostname": "f604f0e34bc2",
            "ExposedPorts": {
                "80/tcp": {}
            },
            "Image": "testnginx:1",
            "Entrypoint": [
                "/bin/sh",
                "-c",
                "nginx -g \"daemon off;\""
            ],
        },
        "NetworkSettings": {
            "Bridge": "",
            "SandboxID": "7fd3eb469578903b66687090e512958658ae28d17bce1a7cee2da3148d1dfad4",
            "Ports": {
                "80/tcp": [
                    {
                        "HostIp": "0.0.0.0",
                        "HostPort": "8081"
                    }
                ]
            },
            "Gateway": "172.17.0.1",
            "IPAddress": "172.17.0.3",
            "IPPrefixLen": 16,
            "MacAddress": "02:42:ac:11:00:03",
            "Networks": {
                "bridge": {
                    "NetworkID": "c8eef1603afb399bf17af154be202fd1e543d3772cc83ef4a1ca3f97b8bd6eda",
                    "EndpointID": "8d9bb18ca57889112e758ede193d2cfb45cbf794c9d952819763c08f8545da46",
                    "Gateway": "172.17.0.1",
                    "IPAddress": "172.17.0.3",
                    "IPPrefixLen": 16,
                    "MacAddress": "02:42:ac:11:00:03",
                }
            }
        }
    }
]
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如果我们用 ps 查看机器上的 nginx 进程，可以看到 master 和 worker，worker 的父进程是 master。

# ps -ef |grep nginx
root     58212 58195  0 01:43 ?        00:00:00 /bin/sh -c nginx -g "daemon off;"
root     58244 58212  0 01:43 ?        00:00:00 nginx: master process nginx -g daemon off;
33       58250 58244  0 01:43 ?        00:00:00 nginx: worker process
33       58251 58244  0 01:43 ?        00:00:05 nginx: worker process
33       58252 58244  0 01:43 ?        00:00:05 nginx: worker process
33       58253 58244  0 01:43 ?        00:00:05 nginx: worker process
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在 /proc/pid/ns 里面，我们能够看到这个进程所属于的 6 种 namespace。我们拿出两个进程来，应该可以看出来，它们属于同一个 namespace。

# ls -l /proc/58212/ns 
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 19:19 ipc -> ipc:[4026532278]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 19:19 mnt -> mnt:[4026532276]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 01:43 net -> net:[4026532281]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 19:19 pid -> pid:[4026532279]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 19:19 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Jul 16 19:19 uts -> uts:[4026532277]
 
# ls -l /proc/58253/ns 
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 ipc -> ipc:[4026532278]
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 mnt -> mnt:[4026532276]
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 net -> net:[4026532281]
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 pid -> pid:[4026532279]
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 33 tape 0 Jul 16 19:20 uts -> uts:[4026532277]
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接下来，我们来看，如何操作 namespace。这里我们重点关注 pid 和 network。

操作 namespace 的常用指令nsenter，可以用来运行一个进程，进入指定的 namespace。例如，通过下面的命令，我们可以运行 /bin/bash，并且进入 nginx 所在容器的 namespace。

# nsenter --target 58212 --mount --uts --ipc --net --pid -- env --ignore-environment -- /bin/bash
 
root@f604f0e34bc2:/# ip addr
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
23: eth0@if24: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default 
    link/ether 02:42:ac:11:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.3/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
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另一个命令是unshare，它会离开当前的 namespace，创建且加入新的 namespace，然后执行参数中指定的命令。

例如，运行下面这行命令之后，pid 和 net 都进入了新的 namespace。

unshare --mount --ipc --pid --net --mount-proc=/proc --fork /bin/bash
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如果从 shell 上运行上面这行命令的话，好像没有什么变化，但是因为 pid 和 net 都进入了新的 namespace，所以我们查看进程列表和 ip 地址的时候应该会发现有所不同。

# ip addr
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
 
# ps aux
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.0 115568  2136 pts/0    S    22:55   0:00 /bin/bash
root        13  0.0  0.0 155360  1872 pts/0    R+   22:55   0:00 ps aux
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果真，我们看不到宿主机上的 IP 地址和网卡了，也看不到宿主机上的所有进程了。

另外，我们还可以通过函数操作 namespace。

第一个函数是clone，也就是创建一个新的进程，并把它放到新的 namespace 中。

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);
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clone 函数我们原来介绍过。这里面有一个参数 flags，原来我们没有注意它。其实它可以设置为 CLONE_NEWUTS、CLONE_NEWUSER、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWPID。CLONE_NEWNET 会将 clone 出来的新进程放到新的 namespace 中。

第二个函数是setns，用于将当前进程加入到已有的 namespace 中。

int setns(int fd, int nstype);
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其中，fd 指向 /proc/[pid]/ns/ 目录里相应 namespace 对应的文件，表示要加入哪个 namespace。nstype 用来指定 namespace 的类型，可以设置为 CLONE_NEWUTS、CLONE_NEWUSER、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWPID 和 CLONE_NEWNET。

第三个函数是unshare，它可以使当前进程退出当前的 namespace，并加入到新创建的 namespace。

int unshare(int flags);
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其中，flags 用于指定一个或者多个上面的 CLONE_NEWUTS、CLONE_NEWUSER、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWPID 和 CLONE_NEWNET。

clone 和 unshare 的区别是，unshare 是使当前进程加入新的 namespace；clone 是创建一个新的子进程，然后让子进程加入新的 namespace，而当前进程保持不变。

这里我们尝试一下，通过 clone 函数来进入一个 namespace。

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/wait.h>
#include <sys/utsname.h>
#include <sched.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#define STACK_SIZE (1024 * 1024)
 
static int childFunc(void *arg)
{
    printf("In child process.\n");
    execlp("bash", "bash", (char *) NULL);
    return 0;
}
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    char *stack;
    char *stackTop;
    pid_t pid;
 
    stack = malloc(STACK_SIZE);
    if (stack == NULL)
    {
        perror("malloc"); 
        exit(1);
    }
    stackTop = stack + STACK_SIZE;
 
    pid = clone(childFunc, stackTop, CLONE_NEWNS|CLONE_NEWPID|CLONE_NEWNET|SIGCHLD, NULL);
    if (pid == -1)
    {
        perror("clone"); 
        exit(1);
    }
    printf("clone() returned %ld\n", (long) pid);
 
    sleep(1);
 
    if (waitpid(pid, NULL, 0) == -1)
    {
        perror("waitpid"); 
        exit(1);
    }
    printf("child has terminated\n");
    exit(0);
}
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在上面的代码中，我们调用 clone 的时候，给的参数是 CLONE_NEWNS|CLONE_NEWPID|CLONE_NEWNET，也就是说，我们会进入一个新的 pid、network，以及 mount 的 namespace。

如果我们编译运行它，可以得到下面的结果。

# echo $$
64267
 
# ps aux | grep bash | grep -v grep
root     64267  0.0  0.0 115572  2176 pts/0    Ss   16:53   0:00 -bash
 
# ./a.out           
clone() returned 64360
In child process.
 
# echo $$
1
 
# ip addr
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
 
# exit
exit
child has terminated
 
# echo $$           
64267
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通过 echo $$，我们可以得到当前 bash 的进程号。一旦运行了上面的程序，我们就会进入一个新的 pid 的 namespace。

当我们再次 echo

clone 系统调用我们在进程的创建那一节解析过，当时我们没有看关于 namespace 的代码，现在我们就来看一看，namespace 在内核做了哪些事情。

在内核里面，clone 会调用 _do_fork->copy_process->copy_namespaces，也就是说，在创建子进程的时候，有一个机会可以复制和设置 namespace。

namespace 是在哪里定义的呢？在每一个进程的 task_struct 里面，有一个指向 namespace 结构体的指针 nsproxy。

struct task_struct {
......
	/* Namespaces: */
	struct nsproxy			*nsproxy;
......
}
 
/*
 * A structure to contain pointers to all per-process
 * namespaces - fs (mount), uts, network, sysvipc, etc.
 *
 * The pid namespace is an exception -- it's accessed using
 * task_active_pid_ns.  The pid namespace here is the
 * namespace that children will use.
 */
struct nsproxy {
	atomic_t count;
	struct uts_namespace *uts_ns;
	struct ipc_namespace *ipc_ns;
	struct mnt_namespace *mnt_ns;
	struct pid_namespace *pid_ns_for_children;
	struct net 	     *net_ns;
	struct cgroup_namespace *cgroup_ns;
};
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我们可以看到在 struct nsproxy 结构里面，有我们上面讲过的各种 namespace。

在系统初始化的时候，有一个默认的 init_nsproxy。

struct nsproxy init_nsproxy = {
	.count			= ATOMIC_INIT(1),
	.uts_ns			= &init_uts_ns,
#if defined(CONFIG_POSIX_MQUEUE) || defined(CONFIG_SYSVIPC)
	.ipc_ns			= &init_ipc_ns,
#endif
	.mnt_ns			= NULL,
	.pid_ns_for_children	= &init_pid_ns,
#ifdef CONFIG_NET
	.net_ns			= &init_net,
#endif
#ifdef CONFIG_CGROUPS
	.cgroup_ns		= &init_cgroup_ns,
#endif
};
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下面，我们来看 copy_namespaces 的实现。

/*
 * called from clone.  This now handles copy for nsproxy and all
 * namespaces therein.
 */
int copy_namespaces(unsigned long flags, struct task_struct *tsk)
{
	struct nsproxy *old_ns = tsk->nsproxy;
	struct user_namespace *user_ns = task_cred_xxx(tsk, user_ns);
	struct nsproxy *new_ns;
 
	if (likely(!(flags & (CLONE_NEWNS | CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWIPC |
			      CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNET |
			      CLONE_NEWCGROUP)))) {
		get_nsproxy(old_ns);
		return 0;
	}
 
	if (!ns_capable(user_ns, CAP_SYS_ADMIN))
		return -EPERM;
......
	new_ns = create_new_namespaces(flags, tsk, user_ns, tsk->fs);
 
	tsk->nsproxy = new_ns;
	return 0;
}
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如果 clone 的参数里面没有 CLONE_NEWNS | CLONE_NEWUTS | CLONE_NEWIPC | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNET | CLONE_NEWCGROUP，就返回原来的 namespace，调用 get_nsproxy。

接着，我们调用 create_new_namespaces。

/*
 * Create new nsproxy and all of its the associated namespaces.
 * Return the newly created nsproxy.  Do not attach this to the task,
 * leave it to the caller to do proper locking and attach it to task.
 */
static struct nsproxy *create_new_namespaces(unsigned long flags,
	struct task_struct *tsk, struct user_namespace *user_ns,
	struct fs_struct *new_fs)
{
	struct nsproxy *new_nsp;
 
	new_nsp = create_nsproxy();
......
	new_nsp->mnt_ns = copy_mnt_ns(flags, tsk->nsproxy->mnt_ns, user_ns, new_fs);
......
	new_nsp->uts_ns = copy_utsname(flags, user_ns, tsk->nsproxy->uts_ns);
......
	new_nsp->ipc_ns = copy_ipcs(flags, user_ns, tsk->nsproxy->ipc_ns);
......
	new_nsp->pid_ns_for_children =
		copy_pid_ns(flags, user_ns, tsk->nsproxy->pid_ns_for_children);
......
	new_nsp->cgroup_ns = copy_cgroup_ns(flags, user_ns,
					    tsk->nsproxy->cgroup_ns);
......
	new_nsp->net_ns = copy_net_ns(flags, user_ns, tsk->nsproxy->net_ns);
......
	return new_nsp;
......
}
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在 create_new_namespaces 中，我们可以看到对于各种 namespace 的复制。

我们来看 copy_pid_ns 对于 pid namespace 的复制。

struct pid_namespace *copy_pid_ns(unsigned long flags,
	struct user_namespace *user_ns, struct pid_namespace *old_ns)
{
	if (!(flags & CLONE_NEWPID))
		return get_pid_ns(old_ns);
	if (task_active_pid_ns(current) != old_ns)
		return ERR_PTR(-EINVAL);
	return create_pid_namespace(user_ns, old_ns);
}
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在 copy_pid_ns 中，如果没有设置 CLONE_NEWPID，则返回老的 pid namespace；如果设置了，就调用 create_pid_namespace，创建新的 pid namespace.

我们再来看 copy_net_ns 对于 network namespace 的复制。

struct net *copy_net_ns(unsigned long flags,
			struct user_namespace *user_ns, struct net *old_net)
{
	struct ucounts *ucounts;
	struct net *net;
	int rv;
 
	if (!(flags & CLONE_NEWNET))
		return get_net(old_net);
 
	ucounts = inc_net_namespaces(user_ns);
......
	net = net_alloc();
......
	get_user_ns(user_ns);
	net->ucounts = ucounts;
	rv = setup_net(net, user_ns);
......
	return net;
}
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在这里面，我们需要判断，如果 flags 中不包含 CLONE_NEWNET，也就是不会创建一个新的 network namespace，则返回 old_net；否则需要新建一个 network namespace。

然后，copy_net_ns 会调用 net = net_alloc()，分配一个新的 struct net 结构，然后调用 setup_net 对新分配的 net 结构进行初始化，之后调用 list_add_tail_rcu，将新建的 network namespace，添加到全局的 network namespace 列表 net_namespace_list 中。

我们来看一下 setup_net 的实现。

/*
 * setup_net runs the initializers for the network namespace object.
 */
static __net_init int setup_net(struct net *net, struct user_namespace *user_ns)
{
	/* Must be called with net_mutex held */
	const struct pernet_operations *ops, *saved_ops;
	LIST_HEAD(net_exit_list);
 
	atomic_set(&net->count, 1);
	refcount_set(&net->passive, 1);
	net->dev_base_seq = 1;
	net->user_ns = user_ns;
	idr_init(&net->netns_ids);
	spin_lock_init(&net->nsid_lock);
 
	list_for_each_entry(ops, &pernet_list, list) {
		error = ops_init(ops, net);
......
	}
......
}
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在 setup_net 中，这里面有一个循环 list_for_each_entry，对于 pernet_list 的每一项 struct pernet_operations，运行 ops_init，也就是调用 pernet_operations 的 init 函数。

这个 pernet_list 是怎么来的呢？在网络设备初始化的时候，我们要调用 net_dev_init 函数，这里面有下面的代码。

register_pernet_device(&loopback_net_ops)
 
int register_pernet_device(struct pernet_operations *ops)
{
	int error;
	mutex_lock(&net_mutex);
	error = register_pernet_operations(&pernet_list, ops);
	if (!error && (first_device == &pernet_list))
		first_device = &ops->list;
	mutex_unlock(&net_mutex);
	return error;
}
 
struct pernet_operations __net_initdata loopback_net_ops = {
        .init = loopback_net_init,
};
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register_pernet_device 函数注册了一个 loopback_net_ops，在这里面，把 init 函数设置为 loopback_net_init.

static __net_init int loopback_net_init(struct net *net)
{
        struct net_device *dev;
        dev = alloc_netdev(0, "lo", NET_NAME_UNKNOWN, loopback_setup);
......
        dev_net_set(dev, net);
        err = register_netdev(dev);
......
        net->loopback_dev = dev;
        return 0;
......
}
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在 loopback_net_init 函数中，我们会创建并且注册一个名字为"lo"的 struct net_device。注册完之后，在这个 namespace 里面就会出现一个这样的网络设备，称为 loopback 网络设备。

这就是为什么上面的实验中，创建出的新的 network namespace 里面有一个 lo 网络设备。

总结时刻

这一节我们讲了 namespace 相关的技术，有六种类型，分别是 UTS、User、Mount、Pid、Network 和 IPC。

还有两个常用的命令 nsenter 和 unshare，主要用于操作 Namespace，有三个常用的函数 clone、setns 和 unshare。

在内核里面，对于任何一个进程 task_struct 来讲，里面都会有一个成员 struct nsproxy，用于保存 namespace 相关信息，里面有 struct uts_namespace、struct ipc_namespace、struct mnt_namespace、struct pid_namespace、struct net *net_ns 和 struct cgroup_namespace *cgroup_ns。

创建 namespace 的时候，我们在内核中会调用 copy_namespaces，调用顺序依次是 copy_mnt_ns、copy_utsname、copy_ipcs、copy_pid_ns、copy_cgroup_ns 和 copy_net_ns，来复制 namespace。

课堂练习

网络的 Namespace 有一个非常好的命令 ip netns。请你研究一下这个命令，并且创建一个容器，用这个命令查看网络 namespace。

欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。