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Docker从零单排系列之基础篇(一)
七月 22, 2016|Docker

Docker从零单排系列之基础篇(一)

Docker从零单排系列之基础篇(一)
 

如果你是刀友,那我们就将这个系列当做容器方面的从零单排吧,希望这个系列能够帮助你了解并爱上docker,这一次我们只介绍Linux基础中的namespace,若有遗漏,还请讲究,开个玩笑,勿怪!

 

概念

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。

Linux Namespaces机制提供一种资源隔离方案。PID,IPC,Network等系统资源不再是全局性的,而是属于某个特定的Namespace。每个namespace下的资源对于其他namespace下的资源都是透明,不可见的。因此在操作系统层面上看,就会出现多个相同pid的进程。系统中可以同时存在两个进程号为0,1,2的进程,由于属于不同的namespace,所以它们之间并不冲突。而在用户层面上只能看到属于用户自己namespace下的资源,例如使用ps命令只能列出自己namespace下的进程。这样每个namespace看上去就像一个单独的Linux系统。

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clone基础

   在Linux内核中提供了多个namespace,其中包括fs (mount), uts, network, sysvipc, 等。一个进程可以属于多个namesapce,既然namespace和进程相关,那么在task_struct结构体中就会包含和namespace相关联的变量。在task_struct 结构中有一个指向namespace结构体的指针nsproxy。

struct nsproxy {

atomic_t count;

struct uts_namespace *uts_ns;

struct ipc_namespace *ipc_ns;

struct mnt_namespace *mnt_ns;

struct pid_namespace *pid_ns_for_children;

struct net             *net_ns;

};

(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UNIX Timesharing 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 net_ns包含所有网络相关的命名空间参数。

PID namespace

   当调用clone时,设定了CLONE_NEWPID,就会创建一个新的PID Namespace,clone出来的新进程将成为Namespace里的第一个进程。一个PID Namespace为进程提供了一个独立的PID环境,PID Namespace内的PID将从1开始,在Namespace内调用fork,vfork或clone都将产生一个在该Namespace内独立的PID。新创建的Namespace里的第一个进程在该Namespace内的PID将为1,就像一个独立的系统里的init进程一样。该Namespace内的孤儿进程都将以该进程为父进程,当该进程被结束时,该Namespace内所有的进程都会被结束。PID Namespace是层次性,新创建的Namespace将会是创建该Namespace的进程属于的Namespace的子Namespace。子Namespace中的进程对于父Namespace是可见的,一个进程将拥有不止一个PID,而是在所在的Namespace以及所有直系祖先Namespace中都将有一个PID。系统启动时,内核将创建一个默认的PID Namespace,该Namespace是所有以后创建的Namespace的祖先,因此系统所有的进程在该Namespace都是可见的。

IPC namespace

   IPC全称 Inter-Process Communication,是Unix/Linux下进程间通信的一种方式,IPC有共享内存、信号量、消息队列等方法。所以,为了隔离,我们也需要把IPC给隔离开来,这样,只有在同一个Namespace下的进程才能相互通信。如果你熟悉IPC的原理的话,你会知道,IPC需要有一个全局的ID,即然是全局的,那么就意味着我们的Namespace需要对这个ID隔离,不能让别的Namespace的进程看到。要启动IPC隔离,我们只需要在调用clone时加上CLONE_NEWIPC参数就可以了。

当调用clone时,设定了CLONE_NEWIPC,就会创建一个新的IPC Namespace,clone出来的进程将成为Namespace里的第一个进程。一个IPC Namespace有一组System V IPC objects 标识符构成,这标识符有IPC相关的系统调用创建。在一个IPC Namespace里面创建的IPC object对该Namespace内的所有进程可见,但是对其他Namespace不可见,这样就使得不同Namespace之间的进程不能直接通信,就像是在不同的系统里一样。当一个IPC Namespace被销毁,该Namespace内的所有IPC object会被内核自动销毁。

PID Namespace和IPC Namespace可以组合起来一起使用,只需在调用clone时,同时指定CLONE_NEWPID和CLONE_NEWIPC,这样新创建的Namespace既是一个独立的PID空间又是一个独立的IPC空间。不同Namespace的进程彼此不可见,也不能互相通信,这样就实现了进程间的隔离。

Network Namespace

 

当调用clone时,设定了CLONE_NEWNET,就会创建一个新的Network Namespace。一个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。一个物理设备只能存在于一个Network Namespace中,可以从一个Namespace移动另一个Namespace中。虚拟网络设备(virtual network device)提供了一种类似管道的抽象,可以在不同的Namespace之间建立隧道。利用虚拟化网络设备,可以建立到其他Namespace中的物理设备的桥接。当一个Network Namespace被销毁时,物理设备会被自动移回init Network Namespace,即系统最开始的Namespace。

Mount namespace

   当调用clone时,设定了CLONE_NEWNS,就会创建一个新的mount Namespace。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。该flag配合pivot_root系统调用,可以为进程创建一个独立的目录空间。

UTS namespace

 

当调用clone时,设定了CLONE_NEWUTS,就会创建一个新的UTS Namespace。一个UTS Namespace就是一组被uname返回的标识符。新的UTS Namespace中的标识符通过复制调用进程所属的Namespace的标识符来初始化。Clone出来的进程可以通过相关系统调用改变这些标识符,比如调用sethostname来改变该Namespace的hostname。这一改变对该Namespace内的所有进程可见。CLONE_NEWUTS和CLONE_NEWNET一起使用,可以虚拟出一个有独立主机名和网络空间的环境,就跟网络上一台独立的主机一样。

结语

    容器技术加速软件架构的变革,推动devops的发展,促进企业IT基础设施的革新,适应新产业结构的调整,当然对于IT从业者的基本要求应该能够了解并应用容器技术.以上均为废话!╮(╯▽╰)╭

参考链接:

http://coolshell.cn/articles/17010.html

http://blog.csdn.net/preterhuman_peak/article/details/40857117

微信公众号: DCOS

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