为什么构建容器需要Namespace？

1、什么是Namespace?

Namespace 是 Linux 内核的一个特性，该特性可以实现在同一主机系统中，对进程 ID、主机名、用户 ID、文件名、网络和进程间通信等资源的隔离。Docker 利用 Linux 内核的 Namespace 特性，实现了每个容器的资源相互隔离，从而保证容器内部只能访问到自己 Namespace 的资源。

我们创建一个容器。

[root@master ~]# docker run -it busybox /bin/sh
/ # 

此时我们在容器里执行以下ps命令，就会发现一些有趣的事情。

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

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），而这个容器里一共只有两个进程在运行。这就意味着，前面执行的 /bin/sh，以及 我们刚刚执行的 ps，已经被 Docker 隔离在了一个跟宿主机完全不同的世界当中。

本来，每当我们在宿主机上运行一个/bin/sh程序，操作系统就会给它分配一个进程号，比如PID = 1000。这个编号就是进程的唯一标识，就像员工工牌一样，可以粗略地理解为这个/bin/sh是公司里第1000名员工，而第一号员工自然就是老板这样统领全局的人物。

而现在我们通过Docker把这个/bin/sh程序运行在一个容器当中，这时候Docker就会给这个第1000号员工入职时候施一个"障眼法"，让他永远看不到在他前面的999个员工，这样他就错误的认为自己就是公司的第一号员工。

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 1000 号进程。

这种技术，就是 Linux 里面的 Namespace 机制。

Linux 5.6 内核中提供了 8 种类型的 Namespace：

Namespace名称	作用	内核版本
Mount(mnt)	隔离挂载点	2.4.19
Process ID(pid)	隔离进程ID	2.6.24
Network (net)	隔离网络设备，端口号等	2.6.19
Interprocess Communication (ipc)	隔离 System V IPC 和 POSIX message queues	2.6.19
UTS Namespace(uts)	隔离主机名和域名	2.6.19
User Namespace (user)	隔离用户和用户组	3.8
Control group (cgroup) Namespace	隔离 Cgroups 根目录	4.6
Time Namespace	隔离系统时间	5.6

2、各种Namespace作用？

(1)、Mount Namespace

实现在不同的进程中看到不同的挂载目录。使用 Mount Namespace 可以实现容器内只能看到自己的挂载信息，在容器内的挂载操作不会影响主机的挂载目录。

我们使用以下命令创建一个 bash 进程并且新建一个 Mount Namespace：

[root@master ~]# unshare --mount --fork /bin/bash
[root@master ~]# 

执行完上述命令后，这时我们已经在主机上创建了一个新的 Mount Namespace，并且当前命令行窗口加入了新创建的 Mount Namespace。下面我通过一个例子来验证下，在独立的 Mount Namespace 内创建挂载目录是不影响主机的挂载目录的。

首先在 /tmp 目录下创建一个目录。

[root@master ~]# mkdir /tmp/tmpfs

创建好目录后使用 mount 命令挂载一个 tmpfs 类型的目录。命令如下：

[root@master ~]# mount -t tmpfs -o size=20m tmpfs /tmp/tmpfs/

然后使用df命令查看一下已经挂载的目录信息：

[root@master ~]# df -h
Filesystem               Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/mapper/centos-root   26G  4.6G   22G  18% /
devtmpfs                 1.9G     0  1.9G   0% /dev
tmpfs                    1.9G     0  1.9G   0% /dev/shm
tmpfs                    1.9G     0  1.9G   0% /sys/fs/cgroup
tmpfs                    1.9G   20M  1.9G   2% /run
tmpfs                    378M     0  378M   0% /run/user/0
/dev/sda1               1014M  183M  832M  18% /boot
tmpfs                     20M     0   20M   0% /tmp/tmpfs

可以看到 /tmp/tmpfs 目录已经被正确挂载。为了验证主机上并没有挂载此目录，我们新打开一个命令行窗口，同样执行 df 命令查看主机的挂载信息：

[root@master ~]# df -h
Filesystem               Size  Used Avail Use% Mounted on
devtmpfs                 1.9G     0  1.9G   0% /dev
tmpfs                    1.9G     0  1.9G   0% /dev/shm
tmpfs                    1.9G   20M  1.9G   2% /run
tmpfs                    1.9G     0  1.9G   0% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/centos-root   26G  4.6G   22G  18% /
/dev/sda1               1014M  183M  832M  18% /boot
tmpfs                    378M     0  378M   0% /run/user/0

通过上面输出可以看到主机上并没有挂载 /tmp/tmpfs，可见我们独立的 Mount Namespace 中执行 mount 操作并不会影响主机。

为了进一步验证我们的想法，我们继续在当前命令行窗口查看一下当前进程的 Namespace 信息，命令如下：

[root@master ~]# ls -l /proc/self/ns/
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 ipc -> ipc:[4026531839]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 mnt -> mnt:[4026532476]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 net -> net:[4026531956]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 pid -> pid:[4026531836]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 uts -> uts:[4026531838]

然后在新打开的命令行窗口，使用相同的命令查看一下主机上的 Namespace 信息：

[root@master ~]# ls -l /proc/self/ns/
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 ipc -> ipc:[4026531839]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 mnt -> mnt:[4026531840]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 net -> net:[4026531956]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 pid -> pid:[4026531836]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 user -> user:[4026531837]
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Dec  2 18:39 uts -> uts:[4026531838]

通过对比两次命令的输出结果，我们可以看到，除了 Mount Namespace 的 ID 值不一样外，其他Namespace 的 ID 值均一致。

通过以上结果我们可以得出结论，使用 unshare 命令可以新建 Mount Namespace，并且在新建的 Mount Namespace 内 mount 是和外部完全隔离的。

(2)、PID Namespace

PID Namespace 的作用是用来隔离进程。在不同的 PID Namespace 中，进程可以拥有相同的 PID 号，利用 PID Namespace 可以实现每个容器的主进程为 1 号进程，而容器内的进程在主机上却拥有不同的PID。例如一个进程在主机上 PID 为 122，使用 PID Namespace 可以实现该进程在容器内看到的 PID 为 1。

我们使用以下命令创建一个bash进程，并且新建一个PID Namespace:

[root@master ~]# unshare --pid --fork --mount-proc /bin/bash
[root@master ~]# 

执行完上述命令后，我们在主机上创建了一个新的 PID Namespace，并且当前命令行窗口加入了新创建的 PID Namespace。在当前的命令行窗口使用 ps aux 命令查看一下进程信息：

[root@master ~]# ps aux
USER        PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root          1  0.0  0.0 115684  2144 pts/0    S    18:47   0:00 /bin/bash
root         13  0.0  0.0 155452  1848 pts/0    R+   18:49   0:00 ps aux

通过上述命令输出结果可以看到当前 Namespace 下 bash 为 1 号进程，而且我们也看不到主机上的其他进程信息。

(3)、UTS Namespace

UTS Namespace 主要是用来隔离主机名的，它允许每个 UTS Namespace 拥有一个独立的主机名。

例如我们的主机名称为 master，使用 UTS Namespace 可以实现在容器内的主机名称为docker 或者其他任意自定义主机名。

同样我们通过一个实例来验证下 UTS Namespace 的作用，首先我们使用 unshare 命令来创建一个 UTS Namespace：

[root@master ~]# hostname  // 查看当前主机名
master
[root@master ~]# unshare --uts --fork /bin/bash

创建好 UTS Namespace 后，当前命令行窗口已经处于一个独立的 UTS Namespace 中，下面我们使用 hostname 命令（hostname 可以用来查看主机名称）设置一下主机名：

[root@master ~]# hostname -b docker
[root@master ~]# hostname
docker

然后我们新打开一个命令行窗口，使用相同的命令查看一下主机的 hostname：

[root@master ~]# hostname
master

可以看到主机的名称仍然为 master，并没有被修改。由此，可以验证 UTS Namespace 可以用来隔离主机名。

(4)、IPC Namespace

IPC Namespace 主要是用来隔离进程间通信的。例如 PID Namespace 和 IPC Namespace 一起使用可以实现同一 IPC Namespace 内的进程彼此可以通信，不同 IPC Namespace 的进程却不能通信。

我们使用unshare命令来创建一个IPC Namespace:

[root@master ~]# unshare --ipc --fork /bin/bash
[root@docker ~]# 

下面我们需要借助两个命令来实现对IPC Namespace的验证。

• ipcs -q : 用来查看系统间通信队列列表
• ipcmk -Q : 用来创建系统间通信队列

我们首先使用 ipcs -q 命令查看一下当前 IPC Namespace 下的系统通信队列列表：

[root@docker ~]# ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    

由上可以看到当前无任何系统通信队列，然后我们使用 ipcmk -Q 命令创建一个系统通信队列：

[root@docker ~]# ipcmk -Q
Message queue id: 0

再次使用 ipcs -q 命令查看当前 IPC Namespace 下的系统通信队列列表：

[root@docker ~]# ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    
0x4a19cc47 0          root       644        0            0       

可以看到我们已经成功创建了一个系统通信队列。然后我们新打开一个命令行窗口，使用ipcs -q 命令查看一下主机的系统通信队列：

[root@master ~]# ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    

通过上面的实验，可以发现，在单独的 IPC Namespace 内创建的系统通信队列在主机上无法看到。即 IPC Namespace 实现了系统通信队列的隔离。

(5)、User Namespace

User Namespace 主要是用来隔离用户和用户组的。一个比较典型的应用场景就是在主机上以非 root 用户运行的进程可以在一个单独的 User Namespace 中映射成 root 用户。使用 User Namespace 可以实现进程在容器内拥有 root 权限，而在主机上却只是普通用户。

User Namespace 的创建是可以不使用 root 权限的。下面我们以普通用户的身份创建一个 User Namespace，命令如下：

[root@docker ~]# su - test
Last login: Thu Dec  2 19:11:29 CST 2021 on pts/0
[test@docker ~]$ unshare --user -r /bin/bash
[root@docker ~]# 

CentOS7 默认允许创建的 User Namespace 为 0，如果执行上述命令失败（ unshare 命令返回的错误为 unshare: unshare failed: Invalid argument ），需要使用以下命令修改系统允许创建的 User Namespace 数量
命令为：echo 65535 > /proc/sys/user/max_user_namespaces，然后再次尝试创建 User Namespace。

然后执行id命令查看一下当前的用户信息：

[root@docker ~]# id
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root)
[root@docker ~]# 

通过上面的输出可以看到我们在新的 User Namespace 内已经是 root 用户了。下面我们使用只有主机 root 用户才可以执行的 reboot 命令来验证一下，在当前命令行窗口执行 reboot 命令：

[root@docker ~]# reboot
Failed to open /dev/initctl: Permission denied
Failed to talk to init daemon.

可以看到，我们在新创建的 User Namespace 内虽然是 root 用户，但是并没有权限执行 reboot 命令。这说明在隔离的 User Namespace 中，并不能获取到主机的 root 权限，也就是说 User Namespace 实现了用户和用户组的隔离。

(6)、Net Namespace

Net Namespace 是用来隔离网络设备、IP 地址和端口等信息的。Net Namespace 可以让每个进程拥有自己独立的 IP 地址，端口和网卡信息。例如主机 IP 地址为 192.168.209.1 ，容器内可以设置独立的 IP 地址为 172.16.4.1。

我们使用ip a命令查看下主机上网络信息：

[root@docker ~]# ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host 
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens32: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:30:6d:8c brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.209.148/24 brd 192.168.209.255 scope global noprefixroute dynamic ens32
       valid_lft 1760sec preferred_lft 1760sec
    inet6 fe80::8081:c385:2b72:fe59/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: docker0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc noqueue state DOWN group default 
    link/ether 02:42:d7:5e:07:6e brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.17.0.1/16 brd 172.17.255.255 scope global docker0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::42:d7ff:fe5e:76e/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

我们使用以下命令创建一个 Net Namespace：

[root@docker ~]# unshare --net --fork /bin/bash
[root@docker ~]# ip a
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
[root@docker ~]# 

可以看到，宿主机上有 lo、eth0、docker0 等网络设备，而我们新建的 Net Namespace 内则与主机上的网络设备不同。

3、为什么Docker需要Namespace?

当 Docker 新建一个容器时， 它会创建这六种 Namespace，然后将容器中的进程加入这些 Namespace 之中，使得 Docker 容器中的进程只能看到当前 Namespace 中的系统资源。

所以，Docker 容器这个听起来玄而又玄的概念，实际上是在创建容器进程时，指定了这个进程 所需要启用的一组 Namespace 参数。这样，容器就只能“看”到当前 Namespace 所限定的 资源、文件、设备、状态，或者配置。而对于宿主机以及其他不相关的程序，它就完全看不到 了。

容器其实是一种特殊的就进程。

在使用 Docker 的时候，并没有一个真正的“Docker 容器”运行在宿主机里面。Docker 项目帮助用 户启动的，还是原来的应用进程，只不过在创建这些进程时，Docker 为它们加上了各种各样的 Namespace参数。这些进程就会觉得自己是各自 PID Namespace 里的第 1 号进程，只能看到各自 Mount Namespace 里挂载的目录和文件，只能访问到各自 Network Namespace 里的网络设备，就仿佛运行在一个个“容器”里面，与世隔绝。

正是由于 Docker 使用了 Linux 的这些 Namespace 技术，才实现了 Docker 容器的隔离，可以说没有 Namespace，就没有 Docker 容器。