[系统运维]03|容器技术基本原理之Namespace

以前被面试或者面试别人的时候，出现频率比较高的一个问题是：看你简历上写熟悉容器技术，那你是怎么理解容器的？还算可以的回答是：容器技术本身不是新的技术，容器本质上就是宿主机操作系统上的一个特殊的进程，利用Namespace和Cgroup技术实现了资源的隔离与限制，并且实现了容器镜像，解决了应用程序分发的问题。答到这里，可以说对容器的理解还是比较全面的了。

Docker的安装：本不想写网上一搜一堆，且不需要理解的东西，但是看好多文章里写的安装过程，多少有点坑，所以还是写一下，安装过程就在ubuntu上操作，因为CentOS7将来也就不维护了，听说ebay生产环境系统也都用ubuntu了。

step1: 更新ubuntu apt-get源

 sudo apt-get update
 
 sudo apt-get install \
    ca-certificates \
    curl \
    gnupg \
    lsb-release

step2: 添加Docker官方GPG key

 curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo gpg --dearmor -o /usr/share/keyrings/docker-archive-keyring.gpg

step3: 安装Docker稳定版仓库地址

 echo \
  "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/docker-archive-keyring.gpg] https://download.docker.com/linux/ubuntu \
  $(lsb_release -cs) stable" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list > /dev/null

step4: 安装Docker

sudo apt-get update
sudo apt-get install docker-ce docker-ce-cli containerd.io

通常安装完Docker就自动运行了，但是很多人想长期用这个Docker作为一个test或staging环境，那么直接用估计会有问题，Docker默认的存储目录在/var/lib/docker/下，有些主机的这个盘很小，尤其是云主机，用一段时间把系统盘占满了，还得迁走，就很麻烦，不如一步到位，把数据存储目录放到较大的盘上，比如/data/docker/。

step5: 编辑/lib/systemd/system/docker.service文件，在ExecStart选项后加上--data-root=/data/docker，这样就自定义了数据目录，结果如下所示：

ExecStart=/usr/bin/dockerd -H fd:// --data-root=/data/docker --containerd=/run/containerd/containerd.sock --log-level warn --log-opt max-size=100m --log-opt max-file=5

然后重新加载systemd并重启Docker进程即可。

systemctl daemon-reload
systemctl restart docker

step6: 验证容器已经安装成功

# docker run hello-world

Hello from Docker!
This message shows that your installation appears to be working correctly.

用Docker运行一个Nginx容器：Docker作为工具来用，其实没有什么复杂的东西，日常只要掌握Dockerfile，会用一些基本的命令就可以了，下面以Nginx为基础，制作我们的镜像并运行。

step1: 编写Dockerfile

# 这里指定你的基础镜像，建议写固定的版本号，不然默认的latest更新可能会导致你的代码不兼容
FROM nginx:1.21.3

# 进入容器后的默认目录
WORKDIR /usr/share/nginx/html

# 把index.html内容改成我们想要的内容
RUN echo "This is my first image base nginx!" > index.html

step2: 生成Docker镜像

docker build -t my_nginx:v1.0 -f Dockerfile .

step3: 查看生成的镜像，并使用该镜像启动容器

# docker images
my_nginx     v1.0      5d0547b2cc8d   3 hours ago              133MB

# docker run -d 5d0547b2cc8d

# docker ps
CONTAINER ID   IMAGE          COMMAND                  CREATED          STATUS          PORTS     NAMES
6961dd4fce83   5d0547b2cc8d   "/docker-entrypoint.…"   18 minutes ago   Up 18 minutes   80/tcp    strange_jepsen

step4: 查看容器IP地址，并使用容器IP访问nginx服务，这里我们介绍使用nsenter命令，场景是我们的nginx镜像中并没有ifconfig命令，但是我们又想查看IP地址，这时就可以通过nsenter命令进入到容器的Namespace，并用宿主机上的命令来调整容器。

[root@iZ2zec5wzaupsrdu55oeaiZ docker]# docker inspect 6961dd4fce83 | grep -i pid
            "Pid": 30176,
            "PidMode": "",
            "PidsLimit": null,
[root@iZ2zec5wzaupsrdu55oeaiZ docker]# nsenter -t 30176 -n ifconfig
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.18.0.2  netmask 255.255.0.0  broadcast 172.18.255.255
        ether 02:42:ac:12:00:02  txqueuelen 0  (Ethernet)
        RX packets 18  bytes 1256 (1.2 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 14  bytes 1386 (1.3 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

[root@iZ2zec5wzaupsrdu55oeaiZ docker]# curl 172.18.0.2
This is my first image base nginx!

转入正题，细说Namespace: Namespace不是一项新技术，它是内核自带的一项功能，Docker之所以能实现资源隔离，就是调用了内核的Namespace功能。该功能对内核资源进行隔离，使得容器进程都可以在单独的命名空间中运行，并且只可以访问当前容器命名空间的资源。

Linux下的资源类型有很多，那么Namespace就也分为下面几类对资源进行限制：

• PID namespace：用于隔离进程 ID。
• Network namespace：隔离网络接口，在虚拟的 net namespace 内用户可以拥有自己独立的 IP、路由、端口等。

• Mount namespace：文件系统挂载点隔离。
• IPC namespace：信号量、消息队列和共享内存的隔离。

• UTS namespace：主机名和域名的隔离。
• User namespace: 用户和组的隔离。

上面列出了各种资源的隔离，下面就拿 PID namespace 来举例，看看这个在Linux操作系统里是如何实现的，Linux 系统中创建进程的系统调用是 clone()，如下代码所示：

int pid = clone(main_function, stack_size, SIGCHLD, NULL); 

但是一旦我们传入了 CLONE_NEWPID 参数，新创建的进程就进入了一个独立的空间，在这个空间里它自己的PID是1，在外面看来它就是一个正常的进程，进程号可能是xxx这种，但肯定不是1，因为1号进程是操作系统的systemd进程，如下代码就实现了进程隔离：

int pid = clone(main_function, stack_size, CLONE_NEWPID | SIGCHLD, NULL); 

通俗来讲，一个进程在启动后，Namespace就给他一通包装，然后这个进程就在自己的小天地里自由的玩耍了。但齐天大圣终穷逃不出如来的五指山，对于开发者来讲，它仍然是操作系统上的一个进程罢了。

对于大多数人来讲，我们只需要知道Docker是如何实现进程隔离的，如果以后有需要去深入挖掘，就按着操作系统的Namespace功能的方向去找就好了。