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2015-03-09 22:23:20 +08:00

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介绍 Linux 的命名空间

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: PID 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。

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。

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:

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。

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

上文介绍的 callee 函数功能如下:

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”

#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:

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5LCTT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:

root@w:~# 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2.6.24ip 工具版本也差不多高于2.6.24LCTT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

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

列出网卡:

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

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:

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

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):

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

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

ip netns exec ns1 ip link del veth1

我们可以为 veth0 分配 IP 地址:

ifconfig veth0 192.168.5.5/24

在命名空间内为 veth1 分配 IP 地址:

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:

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

在命名空间内外查看路由表:

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,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:

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

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

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

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


via: http://www.howtoforge.com/linux-namespaces

作者:aziods 译者:bazz2 校对:wxy

本文由 LCTT 原创翻译,Linux中国 荣誉推出