Docker技术原理之Linux Namespace(容器隔离)

0.前言

首先要知道一个运行的容器,其实就是一个受到隔离和资源限制的Linux进程——对,它就是一个进程。而本文主要来探讨Docker容器实现隔离用到的技术Linux Namespace。

1.关于 Linux Namespace

Linux提供如下Namespace:

Namespace   Constant          Isolates
Cgroup      CLONE_NEWCGROUP   Cgroup root directory
IPC         CLONE_NEWIPC      System V IPC, POSIX message queues
Network     CLONE_NEWNET      Network devices, stacks, ports, etc.
Mount       CLONE_NEWNS       Mount points
PID         CLONE_NEWPID      Process IDs
User        CLONE_NEWUSER     User and group IDs
UTS         CLONE_NEWUTS      Hostname and NIS domain name

以上Namespace分别对进程的 Cgroup root、进程间通信、网络、文件系统挂载点、进程ID、用户和组、主机名域名等进行隔离。

创建容器(进程)主要用到三个系统调用:

  • clone() – 实现线程的系统调用,用来创建一个新的进程,并可以通过上述参数达到隔离
  • unshare() – 使某进程脱离某个namespace
  • setns() – 把某进程加入到某个namespace

2.举个例子(PID namespace)

1) 启动一个容器

$ docker run -it busybox /bin/sh
/ #

2) 查看容器中的进程id(可以看到/bin/sh的pid=1)

/ # ps
PID   USER     TIME  COMMAND
    1 root      0:00 /bin/sh
    5 root      0:00 ps

3) 查看宿主机中的该/bin/sh的进程id

# ps -ef |grep busy
root      3702  3680  0 15:53 pts/0    00:00:00 docker run -it busybox /bin/sh

可以看到,我们在Docker里最开始执行的/bin/sh,就是这个容器内部的第1号进程(PID=1),而在宿主机上看到它的PID=3702。这就意味着,前面执行的/bin/sh,已经被Docker隔离在了一个跟宿主机完全不同的世界当中。

而这就是Docker在启动一个容器(创建一个进程)时使用了PID namespace

int pid = clone(main_function, stack_size, CLONE_NEWPID | SIGCHLD, NULL);

这时候,Docker就会在这个PID=3702的进程启动时给他施一个“障眼法”,让他永远看不到不属于它这个namespace中的进程。这种机制,其实就是对被隔离应用的进程空间做了手脚,使得这些进程只能看到重新计算过的进程编号,比如PID=1。可实际上,他们在宿主机的操作系统里,还是原来的第3702号进程。

然后如果你自己只用PID namespace使用上述的clone()创建一个进程,查看ps或top等命令时,却还是能看到所有进程。说明并没有完全隔离,这是因为,像ps、top这些命令会去读/proc文件系统,而此时你创建的隔离了pid的进程和宿主机使用的是同一个/proc文件系统,所以这些命令显示的东西都是一样的。所以,我们还需要使其它的namespace隔离,如文件系统进行隔离。

3.对照Docker源码

当启动一个docker容器时,会调用到dockerd提供的/containers/{name:.*}/start接口,然后启动一个容器,docker服务收到请求后,调用关系如下:

//注册http handler
router.NewPostRoute("/containers/{name:.*}/start", r.postContainersStart)
//
func (s *containerRouter) postContainersStart(ctx context.Context, w http.ResponseWriter, r *http.Request, vars map[string]string) error 
//
func (daemon *Daemon) ContainerStart(name string, hostConfig *containertypes.HostConfig, checkpoint string, checkpointDir string) error 
//
func (daemon *Daemon) containerStart(container *container.Container, checkpoint string, checkpointDir string, resetRestartManager bool) (err error) {
    //...
    spec, err := daemon.createSpec(container)
	//...
    err = daemon.containerd.Create(context.Background(), container.ID, spec, createOptions)
	//...
	pid, err := daemon.containerd.Start(context.Background(), container.ID, checkpointDir,
		container.StreamConfig.Stdin() != nil || container.Config.Tty,
		container.InitializeStdio)
	//...
	container.SetRunning(pid, true)
	//...
}

可以看到在Daemon.containerStart接口中创建并启动了容器,而创建容器时传入的spec参数就包含了namespace,我们再来看看daemon.createSpec(container)接口返回的spec是什么:

func (daemon *Daemon) createSpec(c *container.Container) (retSpec *specs.Spec, err error) {
    s := oci.DefaultSpec()
    //...
    if err := setUser(&s, c); err != nil {
		return nil, fmt.Errorf("linux spec user: %v", err)
	}
	if err := setNamespaces(daemon, &s, c); err != nil {
		return nil, fmt.Errorf("linux spec namespaces: %v", err)
	}
	//...
	return &s
}

//oci.DefaultSpec()会调用DefaultLinuxSpec,可以看到返回的spec中包含了namespace
func DefaultLinuxSpec() specs.Spec {
    s := specs.Spec{
		Version: specs.Version,
		Process: &specs.Process{
			Capabilities: &specs.LinuxCapabilities{
				Bounding:    defaultCapabilities(),
				Permitted:   defaultCapabilities(),
				Inheritable: defaultCapabilities(),
				Effective:   defaultCapabilities(),
			},
		},
		Root: &specs.Root{},
	}
	s.Mounts = []specs.Mount{
		{
			Destination: "/proc",
			Type:        "proc",
			Source:      "proc",
			Options:     []string{"nosuid", "noexec", "nodev"},
		},
		{
			Destination: "/sys/fs/cgroup",
			Type:        "cgroup",
			Source:      "cgroup",
			Options:     []string{"ro", "nosuid", "noexec", "nodev"},
		},
		//...
	}

	s.Linux = &specs.Linux{
	    //...
		Namespaces: []specs.LinuxNamespace{
			{Type: "mount"},
			{Type: "network"},
			{Type: "uts"},
			{Type: "pid"},
			{Type: "ipc"},
		},
		//...
	//...
	return s
}

//而在setNamespaces中还会根据其它配置对namespace进行修改
func setNamespaces(daemon *Daemon, s *specs.Spec, c *container.Container) error {
	userNS := false
	// user
	if c.HostConfig.UsernsMode.IsPrivate() {
		uidMap := daemon.idMapping.UIDs()
		if uidMap != nil {
			userNS = true
			ns := specs.LinuxNamespace{Type: "user"}
			setNamespace(s, ns)
			s.Linux.UIDMappings = specMapping(uidMap)
			s.Linux.GIDMappings = specMapping(daemon.idMapping.GIDs())
		}
	}
	// network
	if !c.Config.NetworkDisabled {
		ns := specs.LinuxNamespace{Type: "network"}
		parts := strings.SplitN(string(c.HostConfig.NetworkMode), ":", 2)
		if parts[0] == "container" {
			nc, err := daemon.getNetworkedContainer(c.ID, c.HostConfig.NetworkMode.ConnectedContainer())
			if err != nil {
				return err
			}
			ns.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/net", nc.State.GetPID())
			if userNS {
				// to share a net namespace, they must also share a user namespace
				nsUser := specs.LinuxNamespace{Type: "user"}
				nsUser.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/user", nc.State.GetPID())
				setNamespace(s, nsUser)
			}
		} else if c.HostConfig.NetworkMode.IsHost() {
			ns.Path = c.NetworkSettings.SandboxKey
		}
		setNamespace(s, ns)
	}

	// ipc
	ipcMode := c.HostConfig.IpcMode
	switch {
	case ipcMode.IsContainer():
		ns := specs.LinuxNamespace{Type: "ipc"}
		ic, err := daemon.getIpcContainer(ipcMode.Container())
		if err != nil {
			return err
		}
		ns.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/ipc", ic.State.GetPID())
		setNamespace(s, ns)
		if userNS {
			// to share an IPC namespace, they must also share a user namespace
			nsUser := specs.LinuxNamespace{Type: "user"}
			nsUser.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/user", ic.State.GetPID())
			setNamespace(s, nsUser)
		}
	case ipcMode.IsHost():
		oci.RemoveNamespace(s, specs.LinuxNamespaceType("ipc"))
	case ipcMode.IsEmpty():
		// A container was created by an older version of the daemon.
		// The default behavior used to be what is now called "shareable".
		fallthrough
	case ipcMode.IsPrivate(), ipcMode.IsShareable(), ipcMode.IsNone():
		ns := specs.LinuxNamespace{Type: "ipc"}
		setNamespace(s, ns)
	default:
		return fmt.Errorf("Invalid IPC mode: %v", ipcMode)
	}

	// pid
	if c.HostConfig.PidMode.IsContainer() {
		ns := specs.LinuxNamespace{Type: "pid"}
		pc, err := daemon.getPidContainer(c)
		if err != nil {
			return err
		}
		ns.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/pid", pc.State.GetPID())
		setNamespace(s, ns)
		if userNS {
			// to share a PID namespace, they must also share a user namespace
			nsUser := specs.LinuxNamespace{Type: "user"}
			nsUser.Path = fmt.Sprintf("/proc/%d/ns/user", pc.State.GetPID())
			setNamespace(s, nsUser)
		}
	} else if c.HostConfig.PidMode.IsHost() {
		oci.RemoveNamespace(s, specs.LinuxNamespaceType("pid"))
	} else {
		ns := specs.LinuxNamespace{Type: "pid"}
		setNamespace(s, ns)
	}
	// uts
	if c.HostConfig.UTSMode.IsHost() {
		oci.RemoveNamespace(s, specs.LinuxNamespaceType("uts"))
		s.Hostname = ""
	}

	return nil
}
func setNamespace(s *specs.Spec, ns specs.LinuxNamespace) {
	for i, n := range s.Linux.Namespaces {
		if n.Type == ns.Type {
			s.Linux.Namespaces[i] = ns
			return
		}
	}
	s.Linux.Namespaces = append(s.Linux.Namespaces, ns)
}

其实很早以前Docker创建一个容器,获取namespace是通过CloneFlags函数,后来有了开放容器计划(OCI)规范后,就改为了以上面代码中方式创建容器。OCI之前代码如下:

var namespaceInfo = map[NamespaceType]int{
	NEWNET:  unix.CLONE_NEWNET,
	NEWNS:   unix.CLONE_NEWNS,
	NEWUSER: unix.CLONE_NEWUSER,
	NEWIPC:  unix.CLONE_NEWIPC,
	NEWUTS:  unix.CLONE_NEWUTS,
	NEWPID:  unix.CLONE_NEWPID,
}

// CloneFlags parses the container's Namespaces options to set the correct
// flags on clone, unshare. This function returns flags only for new namespaces.
func (n *Namespaces) CloneFlags() uintptr {
	var flag int
	for _, v := range *n {
		if v.Path != "" {
			continue
		}
		flag |= namespaceInfo[v.Type]
	}
	return uintptr(flag)
}
func (c *linuxContainer) newInitProcess(p *Process, cmd *exec.Cmd, parentPipe, childPipe *os.File) (*initProcess, error) {     t := "_LIBCONTAINER_INITTYPE=standard"
    //
    //没错,就是这里~
    //
    cloneFlags := c.config.Namespaces.CloneFlags()
    if cloneFlags&syscall.CLONE_NEWUSER != 0 {
        if err := c.addUidGidMappings(cmd.SysProcAttr); err != nil {
            // user mappings are not supported
            return nil, err
        }
        enableSetgroups(cmd.SysProcAttr)
        // Default to root user when user namespaces are enabled.
        if cmd.SysProcAttr.Credential == nil {
            cmd.SysProcAttr.Credential = &syscall.Credential{}
        }
    }
    cmd.Env = append(cmd.Env, t)
    cmd.SysProcAttr.Cloneflags = cloneFlags
    return &initProcess{
        cmd:        cmd,
        childPipe:  childPipe,
        parentPipe: parentPipe,
        manager:    c.cgroupManager,
        config:     c.newInitConfig(p),
    }, nil
}

现在,容器运行时,通过OCI这个容器运行时规范同底层的Linux操作系统进行交互,即:把容器操作请求翻译成对Linux操作系统的调用(操作Linux Namespace和Cgroups等)。

参考

    原文作者:songcf_faith
    原文地址: https://blog.csdn.net/songcf_faith/article/details/82748987
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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