Linux的命名空间

  本文中的代码摘自 Linux内核5.15.13版本。
  命名空间提供了虚拟化的一种轻量级形式，使得我们可以从不同的方面来查看运行系统的全局属性。

一、基本概念

  命名空间（Linux namespace）是linux内核针对实现容器虚拟化映入的一个特性。我们创建的每个容器都有自己的命名空间，运行在其中的应用都像是在独立的操作系统中运行一样，命名空间保证了容器之间互不影响。
  Linux的命名空间机制提供了一种资源隔离的解决方案。PID,IPC,Network等系统资源不再是全局性的，而是属于特定的Namespace。Namespace是对全局系统资源的一种封装隔离，使得处于不同namespace的进程拥有独立的全局系统资源，改变一个namespace中的系统资源只会影响当前namespace里的进程，对其他namespace中的进程没有影响。
  传统上，在Linux以及其他衍生的UNIX变体中，许多资源是全局管理的。例如，系统中的所有进程按照惯例是通过PID标识的，这意味着内核必须管理一个全局的PID列表。而且，所有调用者通过uname系统调用返回的系统相关信息（包括系统名称和有关内核的一些信息）都是相同的。用户ID的管理方式类似，即各个用户是通过一个全局唯一的UID号标识。
  全局ID使得内核可以有选择地允许或拒绝某些特权。虽然UID为0的root用户基本上允许做任何事，但其他用户ID则会受到限制。例如UID为n的用户，不允许杀死属于用户m的进程（ m≠ n）。但这不能防止用户看到彼此，即用户n可以看到另一个用户m也在计算机上活动。只要用户只能操纵他们自己的进程，这就没什么问题，因为没有理由不允许用户看到其他用户的进程。
  但有些情况下，这种效果可能是不想要的。如果提供Web主机的供应商打算向用户提供Linux计算机的全部访问权限，包括root权限在内。传统上，这需要为每个用户准备一台计算机，代价太高。使用KVM或VMWare提供的虚拟化环境是一种解决问题的方法，但资源分配做得不是非常好。计算机的各个用户都需要一个独立的内核，以及一份完全安装好的配套的用户层应用。
  命名空间提供了一种不同的解决方案，所需资源较少。在虚拟化的系统中，一台物理计算机可以运行多个内核，可能是并行的多个不同的操作系统。而命名空间则只使用一个内核在一台物理计算机上运作，前述的所有全局资源都通过命名空间抽象起来。这使得可以将一组进程放置到容器中，各个容器彼此隔离。隔离可以使容器的成员与其他容器毫无关系。但也可以通过允许容器进行一定的共享，来降低容器之间的分隔。例如，容器可以设置为使用自身的PID集合，但仍然与其他容器共享部分文件系统。

二、实现

  命名空间的实现需要两个部分：每个子系统的命名空间结构，将此前所有的全局组件包装到命名空间中；将给定进程关联到所属各个命名空间的机制。
  子系统此前的全局属性现在封装到命名空间中，每个进程关联到一个选定的命名空间。每个可以感知命名空间的内核子系统都必须提供一个数据结构，将所有通过命名空间形式提供的对象集中起来。 struct nsproxy用于汇集指向特定于子系统的命名空间包装器的指针。在文件nsproxy.h中有：

1. /*
2. * A structure to contain pointers to all per-process
3. * namespaces - fs (mount), uts, network, sysvipc, etc.
4. *
5. * The pid namespace is an exception -- it's accessed using
6. * task_active_pid_ns. The pid namespace here is the
7. * namespace that children will use.
8. *
9. * 'count' is the number of tasks holding a reference.
10. * The count for each namespace, then, will be the number
11. * of nsproxies pointing to it, not the number of tasks.
12. *
13. * The nsproxy is shared by tasks which share all namespaces.
14. * As soon as a single namespace is cloned or unshared, the
15. * nsproxy is copied.
16. */
17. struct nsproxy {
18. atomic_t count;
19. struct uts_namespace *uts_ns;
20. struct ipc_namespace *ipc_ns;
21. struct mnt_namespace *mnt_ns;
22. struct pid_namespace *pid_ns_for_children;
23. struct net *net_ns;
24. struct time_namespace *time_ns;
25. struct time_namespace *time_ns_for_children;
26. struct cgroup_namespace *cgroup_ns;
27. };

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  当前内核的以下范围可以感知到命名空间。
  1、 UTS命名空间包含了运行内核的名称、版本、底层体系结构类型等信息。 UTS是UNIXTimesharing System的简称。
  2、保存在struct ipc_namespace中的所有与进程间通信（ IPC）有关的信息。
  3、 已经装载的文件系统的视图，在struct mnt_namespace中给出。
  4、 有关进程ID的信息，由struct pid_namespace提供。
  5、 struct user_namespace保存的用于限制每个用户资源使用的信息。
  6、struct net_ns包含所有网络相关的命名空间参数。
  当我讨论相应的子系统时，会介绍各个命名空间容器的内容。在由于在创建新进程时可使用fork建立一个新的命名空间，因此必须提供控制该行为的适当的标志。每个命名空间都有一个对应的标志，在sched.h文件内：

1. #define CLONE_NEWCGROUP 0x02000000 /* New cgroup namespace */
2. #define CLONE_NEWUTS 0x04000000 /* New utsname namespace */
3. #define CLONE_NEWIPC 0x08000000 /* New ipc namespace */
4. #define CLONE_NEWUSER 0x10000000 /* New user namespace */
5. #define CLONE_NEWPID 0x20000000 /* New pid namespace */
6. #define CLONE_NEWNET 0x40000000 /* New network namespace */

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  不同类型的命名空间的作用：
  IPC：用于隔离进程间通讯所需的资源（ System V IPC, POSIX message queues），PID命名空间和IPC命名空间可以组合起来用，同一个IPC名字空间内的进程可以彼此看见，允许进行交互，不同空间进程无法交互
  Network：Network Namespace为进程提供了一个完全独立的网络协议栈的视图。包括网络设备接口，IPv4和IPv6协议栈，IP路由表，防火墙规则，sockets等等。一个Network Namespace提供了一份独立的网络环境，就跟一个独立的系统一样。
  Mount：每个进程都存在于一个mount Namespace里面，  mount Namespace为进程提供了一个文件层次视图。如果不设定这个flag，子进程和父进程将共享一个mount Namespace，其后子进程调用mount或umount将会影响到所有该Namespace内的进程。如果子进程在一个独立的mount Namespace里面，就可以调用mount或umount建立一份新的文件层次视图。
  PID：：linux通过命名空间管理进程号，同一个进程，在不同的命名空间进程号不同！进程命名空间是一个父子结构，子空间对于父空间可见。
  User：用于隔离用户
  UTS：用于隔离主机名
  每个进程都关联到自身的命名空间视图，在任务定义的结构体task_struct中有如下定义：

1. struct task_struct {
2. ...
3. /* 命名空间 */
4. struct nsproxy *nsproxy;
5. ...
6. }

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  因为使用了指针，多个进程可以共享一组子命名空间。这样，修改给定的命名空间，对所有属于该命名空间的进程都是可见的。
  init_nsproxy定义了初始的全局命名空间，其中维护了指向各子系统初始的命名空间对象的指针。在kernel/nsproxy.c文件内有

1. struct nsproxy init_nsproxy = {
2. .count = ATOMIC_INIT(1),
3. .uts_ns = &init_uts_ns,
4. #if defined(CONFIG_POSIX_MQUEUE) || defined(CONFIG_SYSVIPC)
5. .ipc_ns = &init_ipc_ns,
6. #endif
7. .mnt_ns = NULL,
8. .pid_ns_for_children = &init_pid_ns,
9. #ifdef CONFIG_NET
10. .net_ns = &init_net,
11. #endif
12. #ifdef CONFIG_CGROUPS
13. .cgroup_ns = &init_cgroup_ns,
14. #endif
15. #ifdef CONFIG_TIME_NS
16. .time_ns = &init_time_ns,
17. .time_ns_for_children = &init_time_ns,
18. #endif
19. };

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三、UTS命名空间

  UTS命名空间几乎不需要特别的处理，因为它只需要简单量，没有层次组织。所有相关信息都汇集到下列结构的一个实例中。在utsname.h文件内：

1. struct uts_namespace {
2. struct new_utsname name;
3. struct user_namespace *user_ns;
4. struct ucounts *ucounts;
5. struct ns_common ns;
6. } __randomize_layout;

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  uts_namespace所提供的属性信息本身包含在struct new_utsname中：

1. struct oldold_utsname {
2. char sysname[9];
3. char nodename[9];
4. char release[9];
5. char version[9];
6. char machine[9];
7. };
9. #define __NEW_UTS_LEN 64
11. struct old_utsname {
12. char sysname[65];
13. char nodename[65];
14. char release[65];
15. char version[65];
16. char machine[65];
17. };
19. struct new_utsname {
20. char sysname[__NEW_UTS_LEN + 1];
21. char nodename[__NEW_UTS_LEN + 1];
22. char release[__NEW_UTS_LEN + 1];
23. char version[__NEW_UTS_LEN + 1];
24. char machine[__NEW_UTS_LEN + 1];
25. char domainname[__NEW_UTS_LEN + 1];
26. }

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  各个字符串分别存储了系统的名称（ Linux…）、内核发布版本、机器名，等等。使用uname工具可以取得这些属性的当前值，也可以在/proc/sys/kernel/中看到

1. z@z-virtual-machine:~$ cat /proc/sys/kernel/ostype
2. Linux
3. z@z-virtual-machine:~$ cat /proc/sys/kernel/osrelease
4. 5.3.0-40-generic

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  初始设置保存在init_uts_ns中，在init/version.c文件内：

1. struct uts_namespace init_uts_ns = {
2. .ns.count = REFCOUNT_INIT(2),
3. .name = {
4. .sysname = UTS_SYSNAME,
5. .nodename = UTS_NODENAME,
6. .release = UTS_RELEASE,
7. .version = UTS_VERSION,
8. .machine = UTS_MACHINE,
9. .domainname = UTS_DOMAINNAME,
10. },
11. .user_ns = &init_user_ns,
12. .ns.inum = PROC_UTS_INIT_INO,
13. #ifdef CONFIG_UTS_NS
14. .ns.ops = &utsns_operations,
15. #endif
16. };

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