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309
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@@ -0,0 +1,309 @@
## 14.2 命名空间
命名空间（Namespace）是 Linux 内核的一个强大特性，为容器提供了隔离的运行环境。
### 什么是 Namespace
> **Namespace 是 Linux 内核提供的资源隔离机制，它让容器内的进程仿佛运行在独立的操作系统中。**
Namespace 是容器技术的核心基础之一。它回答了一个关键问题：**如何让一个进程"以为"自己独占整个系统？**
```
宿主机视角： 容器内视角：
┌─────────────────────────┐ ┌─────────────────────────┐
│ PID 1: systemd │ │ PID 1: nginx │ ← 容器认为自己是 PID 1
│ PID 2: sshd │ │ PID 2: nginx worker │
│ PID 3: dockerd │ │ │
│ PID 1234: nginx ←──────│─────│ （实际是宿主机的 1234） │
│ PID 1235: nginx worker │ │ │
└─────────────────────────┘ └─────────────────────────┘
```
### Namespace 的类型
Linux 内核提供了以下几种 Namespace，Docker 容器使用了全部：
| Namespace | 隔离内容 | 容器中的效果 |
|-----------|---------|-------------|
| **PID** | 进程 ID | 容器内 PID 从 1 开始，看不到其他容器和宿主机进程 |
| **NET** | 网络栈 | 独立的网卡、IP 地址、端口、路由表 |
| **MNT** | 挂载点 | 独立的文件系统视图，自己的根目录 |
| **UTS** | 主机名 | 独立的主机名和域名 |
| **IPC** | 进程间通信 | 独立的信号量、消息队列、共享内存 |
| **USER** | 用户/组 ID | 容器内的 root 可以映射为宿主机的普通用户 |
| **Cgroup** | Cgroup 根目录 | 隔离 cgroup 层级视图（Linux 4.6+） |
---
### PID Namespace
PID Namespace 负责进程 ID 的隔离，使得容器内的进程彼此不可见。
#### 作用
隔离进程 ID，让每个容器有自己的进程编号空间。
#### 效果
运行以下命令：
```bash
## 宿主机上查看进程
$ ps aux | grep nginx
root 12345 0.0 0.1 nginx: master process
root 12346 0.0 0.1 nginx: worker process
## 容器内查看进程
$ docker exec mycontainer ps aux
PID USER COMMAND
1 root nginx: master process ← 在容器内是 PID 1
2 root nginx: worker process
```
#### 关键点
- 容器内的 PID 1 进程特殊重要——它是容器的主进程，退出则容器停止
- 容器内无法看到宿主机或其他容器的进程
- 宿主机可以看到所有容器内的进程（但 PID 不同）
---
### NET Namespace
NET Namespace 负责网络栈的隔离，包括网卡、路由表和 iptables 规则等。
#### 作用
隔离网络栈，每个容器拥有独立的网络环境。
#### 效果
具体内容如下：
```
宿主机 容器
┌─────────────────────┐ ┌─────────────────────┐
│ eth0: 192.168.1.10 │ │ eth0: 172.17.0.2 │ ← 不同的 IP
│ docker0: 172.17.0.1│◄───────►│ (veth pair 连接) │
│ 端口 80 可用 │ │ 端口 80 可用 │ ← 可以使用相同端口
└─────────────────────┘ └─────────────────────┘
```
#### 关键点
- 每个容器有独立的网卡、IP、路由表、iptables 规则
- 多个容器可以监听相同端口（如都监听 80）
- Docker 使用 veth pair 连接容器网络和宿主机网桥
---
### MNT Namespace
MNT Namespace 负责文件系统挂载点的隔离，确保容器看到独立的文件系统视图。
#### 作用
隔离文件系统挂载点，每个容器有自己的根目录。
#### 效果
具体内容如下：
```
宿主机文件系统： 容器内看到的：
/ / ← 容器的根目录
├── bin/ ├── bin/
├── home/ ├── home/
├── var/ ├── var/
│ └── lib/ │ └── lib/
│ └── docker/ │
│ └── overlay2/ │
│ └── merged/ ────┼─── 这个目录成为容器的 /
└── ... └── ...
```
#### 与 chroot 的区别
| 特性 | chroot | MNT Namespace |
|------|--------|---------------|
| 安全性 | 可以逃逸 | 更安全 |
| 挂载隔离 | 无 | 完全隔离 |
| /proc/mounts | 共享 | 独立 |
---
### UTS Namespace
UTS Namespace 主要用于隔离主机名和域名。
#### 作用
隔离主机名和域名，让每个容器可以有自己的主机名。
#### 效果
运行以下命令：
```bash
## 宿主机
$ hostname
my-server
## 容器内
$ docker run --hostname mycontainer ubuntu hostname
mycontainer
```
UTS = "UNIX Time-sharing System"，是历史遗留的名称。
---
### IPC Namespace
IPC Namespace 用于隔离进程间通信资源，如 System V IPC 和 POSIX 消息队列。
#### 作用
隔离 System V IPC 和 POSIX 消息队列。
#### 隔离的资源
- 信号量（semaphores）
- 消息队列（message queues）
- 共享内存（shared memory）
#### 关键点
- 同一容器内的进程可以通过 IPC 通信
- 不同容器的进程无法通过 IPC 通信（除非显式共享）
---
### USER Namespace
USER Namespace 允许将容器内的用户 ID 映射到宿主机的不同用户 ID。
#### 作用
隔离用户和组 ID，实现权限隔离。
#### 效果
具体内容如下：
```
容器内 宿主机
┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
│ UID 0 (root) │───映射────►│ UID 100000 │ ← 非特权用户
│ UID 1 (daemon) │───映射────►│ UID 100001 │
└─────────────────┘ └─────────────────┘
```
#### 安全意义
容器内的 root 用户可以映射为宿主机上的普通用户，即使容器被突破，攻击者在宿主机上也只有普通权限。
> 💡 笔者建议：生产环境建议启用 User Namespace，增强安全性。
---
### 动手实验：体验 Namespace
使用 `unshare` 命令可以在不使用 Docker 的情况下体验 Namespace：
#### 实验 1：UTS Namespace
运行以下命令：
```bash
## 创建新的 UTS namespace 并启动 shell
$ sudo unshare --uts /bin/bash
## 修改主机名（只影响这个 namespace）
$ hostname container-test
$ hostname
container-test
## 退出后查看宿主机主机名（未改变）
$ exit
$ hostname
my-server
```
#### 实验 2：PID Namespace
运行以下命令：
```bash
## 创建新的 PID 和 MNT namespace
$ sudo unshare --pid --mount --fork /bin/bash
## 挂载新的 /proc
$ mount -t proc proc /proc
## 查看进程（只能看到当前 shell）
$ ps aux
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
root 1 0.0 0.0 8960 4516 pts/0 S 10:00 0:00 /bin/bash
root 8 0.0 0.0 10072 3200 pts/0 R+ 10:00 0:00 ps aux
```
#### 实验 3：NET Namespace
运行以下命令：
```bash
## 创建新的网络 namespace
$ sudo unshare --net /bin/bash
## 查看网络接口（只有 lo）
$ ip addr
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
```
---
### Namespace 的局限性
Namespace 提供了隔离但不是安全边界：
| 方面 | 说明 |
|------|------|
| **共享内核** | 所有容器共享宿主机内核，内核漏洞可能影响所有容器 |
| **部分资源未隔离** | /proc、/sys 部分内容仍可见；时间无法隔离 |
| **非虚拟化** | 比虚拟机隔离性弱 |
> 需要更强隔离时，可考虑 gVisor、Kata Containers 等安全容器方案。
---
### 本章小结
| Namespace | 隔离内容 | 一句话说明 |
|-----------|---------|-----------|
| PID | 进程 ID | 容器有自己的进程树 |
| NET | 网络 | 容器有自己的 IP 和端口 |
| MNT | 文件系统 | 容器有自己的根目录 |
| UTS | 主机名 | 容器有自己的 hostname |
| IPC | 进程间通信 | 容器间 IPC 隔离 |
| USER | 用户 ID | 容器 root ≠ 宿主机 root |
### 延伸阅读
- [控制组（Cgroups）](14.3_cgroups.md)：资源限制机制
- [联合文件系统](14.4_ufs.md)：分层存储的实现
- [安全](../security/README.md)：容器安全实践
- [Linux Namespace 官方文档](https://man7.org/linux/man-pages/man7/namespaces.7.html)