详解Linux中的命名空间

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详解Linux中的命名空间

来源: 作者: 时间:2015-12-21 18:39 【

这篇文章主要介绍了详解Linux中的命名空间,主要是进程相关的分配问题,本文示例环境为Debian系统,需要的朋友可以参考下
这篇文章主要介绍了详解Linux中的命名空间,主要是进程相关的分配问题,本文示例环境为Debian系统,需要的朋友可以参考下

背景

从Linux 2.6.24版的内核开始,Linux 就支持6种不同类型的命名空间。它们的出现,使用户创建的进程能够与系统分离得更加彻底,从而不需要使用更多的底层虚拟化技术。

  •     CLONE_NEWIPC: 进程间通信(IPC)的命名空间,可以将 SystemV 的 IPC 和 POSIX 的消息队列独立出来。
        CLONE_NEWPID: 进程命名空间。空间内的PID 是独立分配的,意思就是命名空间内的虚拟 PID 可能会与命名空间外的 PID 相冲突,于是命名空间内的 PID 映射到命名空间外时会使用另外一个 PID。比如说,命名空间内第一个 PID 为1,而在命名空间外就是该 PID 已被 init 进程所使用。
        CLONE_NEWNET: 网络命名空间,用于隔离网络资源(/proc/net、IP 地址、网卡、路由等)。后台进程可以运行在不同命名空间内的相同端口上,用户还可以虚拟出一块网卡。
        CLONE_NEWNS: 挂载命名空间,进程运行时可以将挂载点与系统分离,使用这个功能时,我们可以达到 chroot 的功能,而在安全性方面比 chroot 更高。
        CLONE_NEWUTS: UTS 命名空间,主要目的是独立出主机名和网络信息服务(NIS)。
        CLONE_NEWUSER: 用户命名空间,同进程 ID 一样,用户 ID 和组 ID 在命名空间内外是不一样的,并且在不同命名空间内可以存在相同的 ID。

下面我们介绍一下进程命名空间和网络命名空间。
进程命名空间

本文用 C 语言介绍上述概念,因为演示进程命名空间的时候需要用到 C 语言。下面的测试过程在 Debian 6 和 Debian 7 上执行。首先,在栈内分配一页内存空间,并将指针指向内存页的末尾。这里我们使用 alloca() 函数来分配内存,不要用 malloc() 函数,它会把内存分配在堆上。

   

复制代码
代码如下:
void *mem = alloca(sysconf(_SC_PAGESIZE)) + sysconf(_SC_PAGESIZE);

然后使用 clone() 函数创建子进程,传入我们的子栈空间地址 "mem",并指定命名空间的标记。同时我们还指定“callee”作为子进程运行的函数。

   

复制代码
代码如下:
mypid = clone(callee, mem, SIGCHLD | CLONE_NEWIPC | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | CLONE_FILES, NULL);

clone 之后我们要在父进程中等待子进程先退出,否则的话,父进程会继续运行下去,并马上进程结束,留下子进程变成孤儿进程:

   

复制代码
代码如下:
while (waitpid(mypid, &r, 0) < 0 && errno == EINTR)
{
continue;
}

最后当子进程退出后,我们会回到 shell 界面,并返回子进程的退出码。

   

复制代码
代码如下:
if (WIFEXITED(r))
{
return WEXITSTATUS(r);
}
return EXIT_FAILURE;

上文介绍的 callee 函数功能如下:

   

复制代码
代码如下:
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;
}

程序挂载了 /proc 文件系统,设置用户 ID 和组 ID,值都为“u”,然后运行 /bin/bash 程序,LXC 是一个操作系统级的虚拟化工具,使用 cgroups 和命名空间来完成资源的分离。现在我们把所有代码放在一起,变量“u”的值设为65534,在 Debian 系统中,这是“nobody”和“nogroup”:

   

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代码如下:
#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;
}

执行以下命令来运行上面的代码:

   

复制代码
代码如下:
[email protected]:~/pen/tmp# gcc -O -o ns.c -Wall -Werror -ansi -c89 ns.c
[email protected]:~/pen/tmp# ./ns
[email protected]:~/pen/tmp$ id
uid=65534(nobody) gid=65534(nogroup)
[email protected]:~/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
[email protected]:~/pen/tmp$

注意上面的结果,UID 和 GID 被设置成 nobody 和 nogroup 了,特别是 ps 工具只输出两个进程,它们的 ID 分别是1和5(LCTT注:这就是上文介绍 CLONE_NEWPID 时提到的功能,在线程所在的命名空间内,进程 ID 可以为1,映射到命名空间外是另外一个 PID;而命名空间外的 ID 为1的进程一直是 init)。
网络命名空间

接下来轮到使用 ip netns 来设置网络的命名空间。第一步先确定当前系统没有命名空间:

   

复制代码
代码如下:
[email protected]:~# ip netns list
Object "netns" is unknown, try "ip help".

如果报了上述错误,你需要更新你的系统内核,以及 ip 工具程序。这里假设你的内核版高于2.6.24,ip 工具版本也差不多,高于2.6.24(LCTT注:ip 工具由 iproute 安装包提供,此安装包版本与内核版本相近)。更新好后,ip netns list 在没有命名空间存在的情况下不会输出任务信息。加个名为“ns1”的命名空间看看:

   

复制代码
代码如下:
[email protected]:~# ip netns add ns1
[email protected]:~# ip netns list
ns1

列出网卡:

   

复制代码
代码如下:
[email protected]:~# 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

创建新的虚拟网卡,并加到命名空间。虚拟网卡需要成对创建,互相关联——就像交叉电缆一样:

   

复制代码
代码如下:
[email protected]:~# ip link add veth0 type veth peer name veth1
[email protected]:~# 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

这个时候 ifconfig -a 命令也能显示新添加的 veth0 和 veth1 两块网卡。

很好,现在将这两份块网卡加到命名空间中去。注意一下,下面的 ip netns exec 命令用于将后面的命令在命名空间中执行(LCTT注:下面的结果显示了在 ns1 这个网络命名空间中,只存在 lo 和 veth1 两块网卡):

   

复制代码
代码如下:
[email protected]:~# ip link set veth1 netns ns1
[email protected]:~# 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

这个时候 ifconfig -a 命令只能显示 veth0,不能显示 veth1,因为后者现在在 ns1 命名空间中。

如果想删除 veth0/veth1,可以执行下面的命令:

   

复制代码
代码如下:
ip netns exec ns1 ip link del veth1

我们可以为 veth0 分配 IP 地址:

   

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代码如下:
ifconfig veth0 192.168.5.5/24

在命名空间内为 veth1 分配 IP 地址:

   

复制代码
代码如下:
ip netns exec ns1 ifconfig veth1 192.168.5.10/24 up

在命名空间内外执行 ip addr list 命令:

   

复制代码
代码如下:
[email protected]:~# 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
[email protected]:~# 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

在命名空间内外查看路由表:

   

复制代码
代码如下:
[email protected]:~# 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
[email protected]:~# 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,将虚拟网卡连到物理网卡上,我们需要用到桥接。这里做的是将 veth0 桥接到 eth0,而 ns1 命名空间内则使用 DHCP 自动获取 IP 地址:

   

复制代码
代码如下:
[email protected]:~# brctl addbr br0
[email protected]:~# brctl addif br0 eth0
[email protected]:~# brctl addif br0 veth0
[email protected]:~# ifconfig eth0 0.0.0.0
[email protected]:~# ifconfig veth0 0.0.0.0
[email protected]:~# dhclient br0
[email protected]:~# 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

为网桥 br0 分配的 IP 地址为192.168.3.122/24。接下来为命名空间分配地址:

   

复制代码
代码如下:
[email protected]:~# ip netns exec ns1 dhclient veth1
[email protected]:~# 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

现在, veth1 的 IP 被设置成 192.168.3.248/24 了。

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