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 psCONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMESf604f0e34bc2 testnginx:1 "/bin/sh -c 'nginx -…" 17 hours ago Up 17 hours 0.0.0.0:8081->80/tcp youthful_torvalds
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",}}}}]
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 nginxroot 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 process33 58251 58244 0 01:43 ? 00:00:05 nginx: worker process33 58252 58244 0 01:43 ? 00:00:05 nginx: worker process33 58253 58244 0 01:43 ? 00:00:05 nginx: worker process
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/nslrwxrwxrwx 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/nslrwxrwxrwx 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]
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/bashroot@f604f0e34bc2:/# ip addr1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00inet 127.0.0.1/8 scope host lovalid_lft forever preferred_lft forever23: eth0@if24: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group defaultlink/ether 02:42:ac:11:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ffinet 172.17.0.3/16 brd 172.17.255.255 scope global eth0valid_lft forever preferred_lft forever
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
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 addr1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00# ps auxUSER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMANDroot 1 0.0 0.0 115568 2136 pts/0 S 22:55 0:00 /bin/bashroot 13 0.0 0.0 155360 1872 pts/0 R+ 22:55 0:00 ps aux
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);
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);
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);
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);}
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 $$64267# ps aux | grep bash | grep -v greproot 64267 0.0 0.0 115572 2176 pts/0 Ss 16:53 0:00 -bash# ./a.outclone() returned 64360In child process.# echo $$1# ip addr1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00# exitexitchild has terminated# echo $$64267
通过echo $$，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 $$的时候就会发现，当前bash的进程号变成了1。上面的程序运行了一个新的bash，它在一个独立的pid namespace里面，自己是1号进程。如果运行ip addr，可以看到，宿主机的网卡都找不到了，因为新的bash也在一个独立的network namespace里面，等退出了，再次echo $$的时候，就可以得到原来进程号。
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;};
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};
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;}
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;......}
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);}
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;}
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);......}......}
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,};
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;......}
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。
