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介绍 Linux 的命名空间

2015-03-10 分类：Linux运维 阅读(255) 评论(0)

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。

（题图来自：fotothing.com）

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。

  1. 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。

  1. 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：

  1. while(waitpid(mypid,&r,0)<0&& errno == EINTR)
  2. {
  3. continue;
  4. }

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。

  1. if(WIFEXITED(r))
  2. {
  3. return WEXITSTATUS(r);
  4. }
  5. return EXIT_FAILURE;

上文介绍的 callee 函数功能如下：

  1. staticint callee()
  2. {
  3. int ret;
  4. mount(“proc”,“/proc”,“proc”,0,“”);
  5. setgid(u);
  6. setgroups(0, NULL);
  7. setuid(u);
  8. ret = execl(“/bin/bash”,“/bin/bash”, NULL);
  9. return ret;
  10. }

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”：

  1. #define _GNU_SOURCE
  2. #include<unistd.h>
  3. #include<stdio.h>
  4. #include<stdlib.h>
  5. #include<sys/types.h>
  6. #include<sys/wait.h>
  7. #include<sys/mount.h>
  8. #include<grp.h>
  9. #include<alloca.h>
  10. #include<errno.h>
  11. #include<sched.h>
  12. staticint callee();
  13. constint u =65534;
  14. int main(int argc,char*argv[])
  15. {
  16. int r;
  17. pid_t mypid;
  18. void*mem = alloca(sysconf(_SC_PAGESIZE))+ sysconf(_SC_PAGESIZE);
  19. mypid = clone(callee, mem, SIGCHLD | CLONE_NEWIPC | CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS | CLONE_FILES, NULL);
  20. while(waitpid(mypid,&r,0)<0&& errno == EINTR)
  21. {
  22. continue;
  23. }
  24. if(WIFEXITED(r))
  25. {
  26. return WEXITSTATUS(r);
  27. }
  28. return EXIT_FAILURE;
  29. }
  30. staticint callee()
  31. {
  32. int ret;
  33. mount(“proc”,“/proc”,“proc”,0,“”);
  34. setgid(u);
  35. setgroups(0, NULL);
  36. setuid(u);
  37. ret = execl(“/bin/bash”,“/bin/bash”, NULL);
  38. return ret;
  39. }

执行以下命令来运行上面的代码：

  1. root@www.linuxidc.com:~/pen/tmp# gcc -O -o ns.c -Wall -Werror -ansi -c89 ns.c
  2. root@www.linuxidc.com:~/pen/tmp# ./ns
  3. nobody@w:~/pen/tmp$ id
  4. uid=65534(nobody) gid=65534(nogroup)
  5. nobody@w:~/pen/tmp$ ps auxw
  6. USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
  7. nobody 10.00.046201816 pts/1 S 21:210:00/bin/bash
  8. nobody 50.00.027841064 pts/1 R+21:210:00 ps auxw
  9. 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：

  1. root@www.linuxidc.com:~# ip netns list
  2. 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：

  1. root@www.linuxidc.com:~# ip netns add ns1
  2. root@www.linuxidc.com:~# ip netns list
  3. ns1

列出网卡：

  1. root@www.linuxidc.com:~# ip link list
  2. 1: lo: mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT
  3. link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
  4. 2: eth0: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UNKNOWN mode DEFAULT qlen 1000
  5. 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：

  1. root@www.linuxidc.com:~# ip link add veth0 type veth peer name veth1
  2. root@www.linuxidc.com:~# ip link list
  3. 1: lo: mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT
  4. link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
  5. 2: eth0: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UNKNOWN mode DEFAULT qlen 1000
  6. link/ether 00:0c:29:65:25:9e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  7. 3: veth1: mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
  8. link/ether d2:e9:52:18:19:ab brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  9. 4: veth0: mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
  10. 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）：

  1. root@www.linuxidc.com:~# ip link set veth1 netns ns1
  2. root@www.linuxidc.com:~# ip netns exec ns1 ip link list
  3. 1: lo: mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT
  4. link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
  5. 3: veth1: mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
  6. 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：

  1. ip netns exec ns1 ip link del veth1

我们可以为 veth0 分配 IP 地址：

  1. ifconfig veth0 192.168.5.5/24

在命名空间内为 veth1 分配 IP 地址：

  1. 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：

  1. root@www.linuxidc.com:~# ip addr list
  2. 1: lo: mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN
  3. link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
  4. inet 127.0.0.1/8 scope host lo
  5. inet6 ::1/128 scope host
  6. valid_lft forever preferred_lft forever
  7. 2: eth0: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UNKNOWN qlen 1000
  8. link/ether 00:0c:29:65:25:9e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  9. inet 192.168.3.122/24 brd 192.168.3.255 scope global eth0
  10. inet6 fe80::20c:29ff:fe65:259e/64 scope link
  11. valid_lft forever preferred_lft forever
  12. 6: veth0: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP qlen 1000
  13. link/ether 86:b2:c7:bd:c9:11 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  14. inet 192.168.5.5/24 brd 192.168.5.255 scope global veth0
  15. inet6 fe80::84b2:c7ff:febd:c911/64 scope link
  16. valid_lft forever preferred_lft forever
  17. root@www.linuxidc.com:~# ip netns exec ns1 ip addr list
  18. 1: lo: mtu 65536 qdisc noop state DOWN
  19. link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
  20. 5: veth1: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP qlen 1000
  21. link/ether 12:bd:b6:76:a6:eb brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  22. inet 192.168.5.10/24 brd 192.168.5.255 scope global veth1
  23. inet6 fe80::10bd:b6ff:fe76:a6eb/64 scope link
  24. valid_lft forever preferred_lft forever

在命名空间内外查看路由表：

  1. root@www.linuxidc.com:~# ip route list
  2. default via 192.168.3.1 dev eth0 proto static
  3. 192.168.3.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.3.122
  4. 192.168.5.0/24 dev veth0 proto kernel scope link src 192.168.5.5
  5. root@www.linuxidc.com:~# ip netns exec ns1 ip route list
  6. 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：

  1. root@www.linuxidc.com:~# brctl addbr br0
  2. root@w:~# brctl addif br0 eth0
  3. root@www.linuxidc.com:~# brctl addif br0 veth0
  4. root@www.linuxidc.com:~# ifconfig eth0 0.0.0.0
  5. root@www.linuxidc.com:~# ifconfig veth0 0.0.0.0
  6. root@www.linuxidc.com:~# dhclient br0
  7. root@w:~# ip addr list br0
  8. 7: br0: mtu 1500 qdisc noqueue state UP
  9. link/ether 00:0c:29:65:25:9e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  10. inet 192.168.3.122/24 brd 192.168.3.255 scope global br0
  11. inet6 fe80::20c:29ff:fe65:259e/64 scope link
  12. 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：

  1. root@www.linuxidc.com:~# ip netns exec ns1 dhclient veth1
  2. root@www.linuxidc.com:~# ip netns exec ns1 ip addr list
  3. 1: lo: mtu 65536 qdisc noop state DOWN
  4. link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
  5. 5: veth1: mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP qlen 1000
  6. link/ether 12:bd:b6:76:a6:eb brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  7. inet 192.168.3.248/24 brd 192.168.3.255 scope global veth1
  8. inet6 fe80::10bd:b6ff:fe76:a6eb/64 scope link
  9. valid_lft forever preferred_lft forever

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

本文永久更新链接地址：http://www.linuxidc.com/Linux/2015-03/114777.htm

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