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詳解Linux中的命名空間

背景

從Linux 2.6.24版的內(nèi)核開始，Linux 就支持6種不同類型的命名空間。它們的出現(xiàn)，使用戶創(chuàng)建的進(jìn)程能夠與系統(tǒng)分離得更加徹底，從而不需要使用更多的底層虛擬化技術(shù)。

    CLONE_NEWIPC: 進(jìn)程間通信(IPC)的命名空間，可以將 SystemV 的 IPC 和 POSIX 的消息隊(duì)列獨(dú)立出來。
    CLONE_NEWPID: 進(jìn)程命名空間?？臻g內(nèi)的PID 是獨(dú)立分配的，意思就是命名空間內(nèi)的虛擬 PID 可能會(huì)與命名空間外的 PID 相沖突，于是命名空間內(nèi)的 PID 映射到命名空間外時(shí)會(huì)使用另外一個(gè) PID。比如說，命名空間內(nèi)第一個(gè) PID 為1，而在命名空間外就是該 PID 已被 init 進(jìn)程所使用。
    CLONE_NEWNET: 網(wǎng)絡(luò)命名空間，用于隔離網(wǎng)絡(luò)資源（/proc/net、IP 地址、網(wǎng)卡、路由等）。后臺(tái)進(jìn)程可以運(yùn)行在不同命名空間內(nèi)的相同端口上，用戶還可以虛擬出一塊網(wǎng)卡。
    CLONE_NEWNS: 掛載命名空間，進(jìn)程運(yùn)行時(shí)可以將掛載點(diǎn)與系統(tǒng)分離，使用這個(gè)功能時(shí)，我們可以達(dá)到 chroot 的功能，而在安全性方面比 chroot 更高。
    CLONE_NEWUTS: UTS 命名空間，主要目的是獨(dú)立出主機(jī)名和網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)（NIS）。
    CLONE_NEWUSER: 用戶命名空間，同進(jìn)程 ID 一樣，用戶 ID 和組 ID 在命名空間內(nèi)外是不一樣的，并且在不同命名空間內(nèi)可以存在相同的 ID。

下面我們介紹一下進(jìn)程命名空間和網(wǎng)絡(luò)命名空間。
進(jìn)程命名空間

本文用 C 語言介紹上述概念，因?yàn)檠菔具M(jìn)程命名空間的時(shí)候需要用到 C 語言。下面的測(cè)試過程在 Debian 6 和 Debian 7 上執(zhí)行。首先，在棧內(nèi)分配一頁內(nèi)存空間，并將指針指向內(nèi)存頁的末尾。這里我們使用 alloca() 函數(shù)來分配內(nèi)存，不要用 malloc() 函數(shù)，它會(huì)把內(nèi)存分配在堆上。

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

然后使用 clone() 函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程，傳入我們的子?？臻g地址 "mem"，并指定命名空間的標(biāo)記。同時(shí)我們還指定“callee”作為子進(jìn)程運(yùn)行的函數(shù)。

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

clone 之后我們要在父進(jìn)程中等待子進(jìn)程先退出，否則的話，父進(jìn)程會(huì)繼續(xù)運(yùn)行下去，并馬上進(jìn)程結(jié)束，留下子進(jìn)程變成孤兒進(jìn)程：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

最后當(dāng)子進(jìn)程退出后，我們會(huì)回到 shell 界面，并返回子進(jìn)程的退出碼。

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

上文介紹的 callee 函數(shù)功能如下：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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;
}

程序掛載了 /proc 文件系統(tǒng)，設(shè)置用戶 ID 和組 ID，值都為“u”，然后運(yùn)行 /bin/bash 程序，LXC 是一個(gè)操作系統(tǒng)級(jí)的虛擬化工具，使用 cgroups 和命名空間來完成資源的分離?，F(xiàn)在我們把所有代碼放在一起，變量“u”的值設(shè)為65534，在 Debian 系統(tǒng)中，這是“nobody”和“nogroup”：

復(fù)制代碼

代碼如下:

#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;
}

執(zhí)行以下命令來運(yùn)行上面的代碼：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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$

注意上面的結(jié)果，UID 和 GID 被設(shè)置成 nobody 和 nogroup 了，特別是 ps 工具只輸出兩個(gè)進(jìn)程，它們的 ID 分別是1和5（LCTT注：這就是上文介紹 CLONE_NEWPID 時(shí)提到的功能，在線程所在的命名空間內(nèi)，進(jìn)程 ID 可以為1，映射到命名空間外是另外一個(gè) PID；而命名空間外的 ID 為1的進(jìn)程一直是 init）。
網(wǎng)絡(luò)命名空間

接下來輪到使用 ip netns 來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的命名空間。第一步先確定當(dāng)前系統(tǒng)沒有命名空間：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

如果報(bào)了上述錯(cuò)誤，你需要更新你的系統(tǒng)內(nèi)核，以及 ip 工具程序。這里假設(shè)你的內(nèi)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 安裝包提供，此安裝包版本與內(nèi)核版本相近）。更新好后，ip netns list 在沒有命名空間存在的情況下不會(huì)輸出任務(wù)信息。加個(gè)名為“ns1”的命名空間看看：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

列出網(wǎng)卡：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

創(chuàng)建新的虛擬網(wǎng)卡，并加到命名空間。虛擬網(wǎng)卡需要成對(duì)創(chuàng)建，互相關(guān)聯(lián)——就像交叉電纜一樣：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

這個(gè)時(shí)候 ifconfig -a 命令也能顯示新添加的 veth0 和 veth1 兩塊網(wǎng)卡。

很好，現(xiàn)在將這兩份塊網(wǎng)卡加到命名空間中去。注意一下，下面的 ip netns exec 命令用于將后面的命令在命名空間中執(zhí)行（LCTT注：下面的結(jié)果顯示了在 ns1 這個(gè)網(wǎng)絡(luò)命名空間中，只存在 lo 和 veth1 兩塊網(wǎng)卡）：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

這個(gè)時(shí)候 ifconfig -a 命令只能顯示 veth0，不能顯示 veth1，因?yàn)楹笳攥F(xiàn)在在 ns1 命名空間中。

如果想刪除 veth0/veth1，可以執(zhí)行下面的命令：

復(fù)制代碼

代碼如下:

ip netns exec ns1 ip link del veth1

我們可以為 veth0 分配 IP 地址：

復(fù)制代碼

代碼如下:

ifconfig veth0 192.168.5.5/24

在命名空間內(nèi)為 veth1 分配 IP 地址：

復(fù)制代碼

代碼如下:

ip netns exec ns1 ifconfig veth1 192.168.5.10/24 up

在命名空間內(nèi)外執(zhí)行 ip addr list 命令：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

在命名空間內(nèi)外查看路由表：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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，將虛擬網(wǎng)卡連到物理網(wǎng)卡上，我們需要用到橋接。這里做的是將 veth0 橋接到 eth0，而 ns1 命名空間內(nèi)則使用 DHCP 自動(dòng)獲取 IP 地址：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

為網(wǎng)橋 br0 分配的 IP 地址為192.168.3.122/24。接下來為命名空間分配地址：

復(fù)制代碼

代碼如下:

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

現(xiàn)在， veth1 的 IP 被設(shè)置成 192.168.3.248/24 了。

標(biāo)簽：楚雄淄博忻州阜陽來賓遼陽荊州迪慶

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