linux 进程隔离Namespace 学习

news2024/10/5 20:19:57

一、linux namespace 介绍

1.1、概念

Linux Namespace是Linux内核提供的一种机制，它用于隔离不同进程的资源视图，使得每个进程都拥有独立的资源空间，从而实现进程之间的隔离和资源管理。

Linux Namespace的设计目标是为了解决多个进程之间资源冲突的问题，提供一种轻量级的虚拟化技术。通过使用Namespace，可以在一个物理主机上创建多个独立的虚拟环境，每个环境都有自己的进程、文件系统、网络和用户视图。其提供了一种抽象机制，将原本全局共享的资源隔离成不同的集合，集合中的成员独享其原本全局共享的资源。如下图：
在这里插入图片描述

进程 A 和进程 B 分别属于两个不同的 Namespace，那么进程 A 将可以使用 Linux 内核提供的所有 Namespace 资源：如独立的主机名，独立的文件系统，独立的进程编号等等。同样地，进程 B 也可以使用同类资源，但其资源与进程 A 使用的资源相互隔离，彼此无法感知。

从用户的角度来看，每一个命名空间应该像一台单独的 Linux计算机一样，有自己的 init进程（PID为 1），其他进程的PID依次递增， A和B空间都有PID为l的init进程，子命名空间的进程映射到父命名空间的进程上，父命名空间可以知道每一个子命名空间的运行状态，而子命名空间与子命名空间之间是隔离的。

1.2、虚拟化相关概念

1.2.1、常见的进程级虚拟化技术:

chroot(Change Root)：chroot是一种将进程的根目录修改为指定目录的技术。它通过限制进程的文件系统访问范围，使得进程只能在指定的目录树中运行。这样可以实现一定程度的进程隔离。
Linux容器(Linux Containers，LXC)：LXC是一种操作系统级虚拟化技术，它使用Linux内核中的命名空间(namespaces)和控制组(cgroups)等特性，实现了对进程的隔离。通过创建和管理多个容器实例，每个容器都拥有自己的文件系统、网络和进程空间，可以实现进程级别的隔离和资源控制。
Docker：Docker是基于LXC的一层封装，提供了更高级别的容器管理和部署工具。它通过使用镜像（Images）和容器（Containers）的概念，使得应用程序的打包、分发和部署更加方便。Docker在LXC的基础上添加了一些额外的功能和工具，使得容器的使用更加简单和高效。
systemd-nspawn：systemd-nspawn是Systemd项目中的一个工具，它基于Linux命名空间和chroot，提供了一个简单的容器环境。它可以启动一个进程并将其隔离在一个独立的文件系统环境中，实现了进程的隔离和资源控制。

1.2.2、常见linux 虚拟化技术

完全虚拟化(Full Virtualization)：
完全虚拟化技术通过在物理硬件上运行一个虚拟机监视器(Hypervisor)，来模拟一个完整的虚拟硬件环境。在完全虚拟化中，虚拟机操作系统不需要进行修改，可以运行未经修改的操作系统。代表产品有：

KVM(Kernel-based Virtual Machine)：KVM是一个开源的完全虚拟化解决方案，它基于Linux内核提供了虚拟化的能力。KVM使用QEMU(Quick Emulator)作为虚拟机监视器，并通过硬件虚拟化扩展(如Intel的VT-x和AMD的AMD-V)提供硬件加速。

半虚拟化(Para-virtualization)：
半虚拟化技术在虚拟机内部对操作系统进行修改，使其能够与虚拟化层进行通信和协作，从而提高性能和效率。代表产品有：

Xen：Xen是一个开源的半虚拟化解决方案，它可以在不修改操作系统的情况下运行虚拟机。Xen使用一种称为"Xen插入式内核"的方法，通过修改操作系统内核，使其与Hypervisor进行通信，实现半虚拟化。

容器虚拟化(Containerization)：
容器虚拟化技术通过在操作系统级别创建隔离的容器实例，实现应用程序和依赖的隔离。容器共享操作系统内核，因此比虚拟机更轻量级和高效。代表产品有：

Docker：Docker是一种流行的容器化平台，它使用容器镜像(Images)来打包应用程序及其依赖，并通过Docker引擎在宿主机上运行容器实例。Docker提供了方便的构建、分发和部署工具，使得容器的使用变得简单和高效。
LXC(Linux Containers)：LXC是一种轻量级的容器化解决方案，它利用Linux内核中的命名空间(namespaces)和控制组(cgroups)等特性，实现了对进程的隔离。LXC提供了一个容器运行时环境，可以在其中运行独立的用户空间实例。

硬件辅助虚拟化(Hardware-assisted Virtualization)：
硬件辅助虚拟化技术利用物理处理器中的虚拟化扩展，如Intel的VT-x和AMD的AMD-V，提供对虚拟化的硬件支持，提高虚拟机的性能和效率。上述的KVM和Xen也是硬件辅助虚拟化的解决方案。

轻量级虚拟化(Lightweight Virtualization)：
轻量级虚拟化技术是一种特殊形式的虚拟化，它通过在操作系统级别利用命名空间(namespaces)和控制组(cgroups)等特性，实现对进程的隔离和资源控制。代表产品有：

Docker：除了作为容器化平台，Docker也提供了一种轻量级的虚拟化方式。Docker容器可以在宿主机上以独立的进程运行，具有隔离的文件系统、网络和进程空间。

1.3、linux namespace 发展历史

Linux Namespace的发展历史可以追溯到2002年，最早是由Eric W. Biederman提出并实现。

以下是Linux Namespace的主要发展历程：

2002年：最早的Linux Namespace实现由Eric W. Biederman在2.4内核版本中引入，包括Mount Namespace和UTS Namespace。
2006年：Eric W. Biederman和Serge E. Hallyn在2.6.24版本中引入PID Namespace，允许每个Namespace拥有独立的进程ID空间。
2008年：Eric W. Biederman和Serge E. Hallyn在2.6.29版本中引入Network Namespace，实现了独立的网络隔离。
2013年：Docker公司推出了Docker容器平台，基于Linux Namespace和Cgroups实现了轻量级的容器虚拟化技术，引发了容器技术的热潮。
2016年：Linux Kernel 4.6版本中引入了IPC Namespace和User Namespace，分别实现了进程间通信和用户隔离。
2017年：Linux Kernel 4.11版本中引入了CGROUP Namespace，允许每个Namespace拥有独立的资源限制。

随着时间的推移，Linux Namespace逐渐成为Linux内核中的重要特性，为容器化技术的发展提供了基础。它提供了一种灵活且轻量级的隔离机制，使得可以在单个主机上创建多个独立的虚拟环境，实现了资源的隔离和管理。