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。 #### PID 的作用 隔离进程 ID，让每个容器有自己的进程编号空间。 #### PID 隔离效果 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 ``` #### PID 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。 #### NET 的作用 隔离网络栈，每个容器拥有独立的网络环境。 #### NET 隔离效果 ``` 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 └─────────────────────┘ └─────────────────────┘ ``` #### NET 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。 #### MNT 的作用 隔离文件系统挂载点，每个容器有自己的根目录。 #### MNT 隔离效果 ``` 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。 #### UTS 的作用 隔离主机名和域名，让每个容器可以有自己的主机名。 #### UTS 隔离效果 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。 #### IPC 的作用 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） #### IPC 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。 #### USER 的作用 隔离用户和组 ID，实现权限隔离。 #### USER 隔离效果 ``` 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: 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](../11_ops/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)