Linux Namespace

介绍Linux的几种常见Namespace

Posted by Cheney.Yin on November 4, 2021

概况

名称 作用 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 2.6.29
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) 隔离Cgroups根目录 4.6
Time Namespace 隔离系统时间 5.6

Mount Namespace

Mount Namespace是Linux内核实现的第一个namespace,自2.4.19版本开始加入。

Mount Namespace可以用来隔离不同的进程或进程组看到的挂载点。可以实现在不同的进程中看到不同的挂载目录。因此,Mount Namespace可以使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在目录。

实例演示

使用unshare命令演示实例。

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sudo unshare --mount --fork /bin/bash

--mount表示启用mount namespace,不从父进程继承挂载命名空间。

--fork表示在执行/bin/bash前进行fork 出子进程。使用--fork和不使用的区别可以反映在进程树上,

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pstree -ps 10883 #10883进程是通过--fork
systemd(1)───alacritty(9378)───zsh(9380)───sudo(10881)───unshare(10882)───zsh(10883)

pstree -ps 17378 #17378进程没有通过--fork
systemd(1)───alacritty(9378)───zsh(9380)───sudo(17377)───zsh(17378)

接下来,在挂载点隔离的/bin/bash进程中,执行挂载操作。

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mount -t tmpfs -o size=20m tmpfs /tmp/tmpfs

挂在成功后,在/tmp/tmpfs目录下创建hello文件。

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touch /tmp/tmpfs/hello

在挂载点隔离进程下查看已经挂载的目录信息,

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df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/sda2       903G   23G  835G   3% /
dev             5.8G     0  5.8G   0% /dev
tmpfs           5.8G   40M  5.8G   1% /dev/shm
run             5.8G  1.5M  5.8G   1% /run
tmpfs           1.2G   76K  1.2G   1% /run/user/1000
/dev/sda1       300M  288K  300M   1% /boot/efi
tmpfs           5.8G  3.8M  5.8G   1% /tmp
tmpfs            20M     0   20M   0% /tmp/tmpfs

最后一行为刚刚创建的20M大小的tmpfs。

查看该目录/tmp/tmpfs,目录下存在hello文件。

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ls /tmp/tmpfs
hello

查看进程下的namespace信息。

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ll /proc/self/ns
total 0
95041 0 dr-x--x--x 2 root root 0 11月 17 10:55 .
95040 0 dr-xr-xr-x 9 root root 0 11月 17 10:55 ..
95053 0 lrwxrwxrwx 1 root root 0 11月 17 10:55 cgroup -> 'cgroup:[4026531835]'
95048 0 lrwxrwxrwx 1 root root 0 11月 17 10:55 ipc -> 'ipc:[4026531839]'
95052 0 lrwxrwxrwx 1 root root 0 11月 17 10:55 mnt -> 'mnt:[4026532506]'
95046 0 lrwxrwxrwx 1 root root 0 11月 17 10:55 net -> 'net:[4026531992]'
95049 0 lrwxrwxrwx 1 root root 0 11月 17 10:55 pid -> 'pid:[4026531836]'
95050 0 lrwxrwxrwx 1 root root 0 11月 17 10:55 pid_for_children -> 'pid:[4026531836]'
95054 0 lrwxrwxrwx 1 root root 0 11月 17 10:55 time -> 'time:[4026531834]'
95055 0 lrwxrwxrwx 1 root root 0 11月 17 10:55 time_for_children -> 'time:[4026531834]'
95051 0 lrwxrwxrwx 1 root root 0 11月 17 10:55 user -> 'user:[4026531837]'
95047 0 lrwxrwxrwx 1 root root 0 11月 17 10:55 uts -> 'uts:[4026531838]'

其中挂载命名空间编号为mnt:[4026532506]

在主机下查看目录/tmp/tmpfs、挂载目录信息、主机Namespace信息。

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ll /tmp/tmpfs
total 0
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sudo df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
dev             5.8G     0  5.8G   0% /dev
run             5.8G  1.5M  5.8G   1% /run
/dev/sda2       903G   23G  835G   3% /
tmpfs           5.8G   34M  5.8G   1% /dev/shm
/dev/sda1       300M  288K  300M   1% /boot/efi
tmpfs           5.8G  3.5M  5.8G   1% /tmp
tmpfs           1.2G   76K  1.2G   1% /run/user/1000
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ll /proc/self/ns
total 0
102923 0 dr-x--x--x 2 cheney cheney 0 11月 17 11:02 .
102922 0 dr-xr-xr-x 9 cheney cheney 0 11月 17 11:02 ..
102935 0 lrwxrwxrwx 1 cheney cheney 0 11月 17 11:02 cgroup -> 'cgroup:[4026531835]'
102930 0 lrwxrwxrwx 1 cheney cheney 0 11月 17 11:02 ipc -> 'ipc:[4026531839]'
102934 0 lrwxrwxrwx 1 cheney cheney 0 11月 17 11:02 mnt -> 'mnt:[4026531840]'
102928 0 lrwxrwxrwx 1 chene y cheney 0 11月 17 11:02 net -> 'net:[4026531992]'
102931 0 lrwxrwxrwx 1 cheney cheney 0 11月 17 11:02 pid -> 'pid:[4026531836]'
102932 0 lrwxrwxrwx 1 cheney cheney 0 11月 17 11:02 pid_for_children -> 'pid:[4026531836]'
102936 0 lrwxrwxrwx 1 cheney cheney 0 11月 17 11:02 time -> 'time:[4026531834]'
102937 0 lrwxrwxrwx 1 cheney cheney 0 11月 17 11:02 time_for_children -> 'time:[4026531834]'
102933 0 lrwxrwxrwx 1 cheney cheney 0 11月 17 11:02 user -> 'user:[4026531837]'
102929 0 lrwxrwxrwx 1 cheney cheney 0 11月 17 11:02 uts -> 'uts:[4026531838]'

由上可知,主机/tmp/tmpfs目录下不存在hello文件,挂载目录信息下不存在/tmp/tmpfs,并且挂载隔离命名空间编号为'mnt:[4026531840]',这与挂载隔离进程下的mnt:[4026532506]不同。所以,新建的Mount Namespace内挂载点是和外部完全隔离的。

PID Namespace

PID Namespace用于隔离进程的PID,不同PID Namespace下的进程可以拥有相同的PID。如下,使用unshare命令在新的PID Namespace下启动/bin/bash

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sudo unshare --pid --fork /bin/bash

执行ps命令查看进程PID,

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ps 
PID TTY          TIME CMD
10198 pts/0    00:00:00 sudo
10199 pts/0    00:00:00 unshare
10200 pts/0    00:00:00 bash
10204 pts/0    00:00:00 ps

发现进程/bin/bash的PID不为1。这是因为,ps命令会从/proc目录下读取进程信息,所以在新的进程下需要启动挂载隔离并重新挂载/proc

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sudo unshare --pid --mount-proc --fork /bin/bash
ps
PID TTY          TIME CMD
  1 pts/0    00:00:00 bash
  5 pts/0    00:00:00 ps

可以,看到/bin/bash的进程PID为1。

UTS Namespace

UTS Namespace是主机名隔离,使得每个UTS Namespace下可以拥有独立的主机名。

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hostname
cheney-hp

使用unshare命令为新的进程开启UTS Namespace

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sudo unshare --uts --fork /bin/bash

新启动的进程内查看主机名并且修改,

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[cheney-hp uts]# hostname
cheney-hp
[cheney-hp uts]# hostname yan
[cheney-hp uts]# hostname
yan

可以看出,新启动的进程内,主机名已经更改为yan,此时原命名空间内进程主机名仍为cheney-hp

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hostname
cheney-hp

IPC Namespace

IPC Namespace用于进程通讯隔离。

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ipcs -q

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

创建消息队列,

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ipcmk -Q
Message queue id: 2
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ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages
0x13e408aa 2          cheney     644        0            0

使用unshare为新启动的进程开启进程通信隔离,

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sudo unshare --ipc --fork /bin/bash

在新进程中查看队列,

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ipcs -q

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

未发现编号为2的消息队列。

User Namespace

User Namespace可以用来隔离用户和用户组,

分别以用户cheneyroot身份创建文件,

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39718892    0 -rw-r--r-- 1 cheney cheney    0 11月 22 11:11 cheney-hello
39718895    0 -rw-r--r-- 1 root   root      0 11月 22 11:11 root-hello

通过unshare命令,将当前用户映射为User Namespace下的root用户,

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id
uid=1000(cheney) gid=1000(cheney) groups=1000(cheney),3(sys),90(network),98(power),985(video),991(lp),998(wheel),1001(docker)
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unshare --user -r --fork /bin/bash

在新启动的bash进程内查看用户和目录,

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id
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root),65534(nobody)
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ls -lia
total 8
39718891 drwxr-xr-x 2 root   root   4096 11月 22 11:11 .
39584209 drwxr-xr-x 7 root   root   4096 11月 22 10:56 ..
39718892 -rw-r--r-- 1 root   root      0 11月 22 11:11 cheney-hello
39718895 -rw-r--r-- 1 nobody nobody    0 11月 22 11:11 root-hello

可以看到,文件cheney-hello的用户和用户组由cheney:cheney变为了root:root,而文件root-hello的用户信息由root:root转换为nobody:nobody

在新启动进程中,分别向cheney-helloroot-hello写数据,

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echo 'OK' >> ./cheney-hello
cat ./cheney-hello
OK
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echo 'OK' >> ./root-hello
bash: ./root-hello: Permission denied

说明,新建的User Namespace下的用户root等同于宿主机上用户cheney,二者权限一致;并且该root用户并非宿主机的root用户。

执行su来切换用户失败,说明用户是隔离的,并且可以映射用户。

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[cheney-hp user]# su root
su: Authentication service cannot retrieve authentication info
[cheney-hp user]# su cheney
su: Authentication service cannot retrieve authentication info

Net Namespace

Net Namespace用来隔离网络设备、IP地址和端口信息等。

宿主机上查看网络信息,

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ip addr
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: eno1: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state DOWN group default qlen 1000
    link/ether c4:34:6b:02:34:dd brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    altname enp14s0

使用unshare为新的进程建立网络命名空间,

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sudo unshare --net --fork /bin/bash
ip addr
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

进存在loop环路设备。

为进程定义网络命名空间

创建命名空间ns0-1

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sudo ip netns add ns0-1

创建veth-pair,并把veth1分配给命名空间ns0-1

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sudo ip link add veth0 type veth peer name veth1
sudo ip link set veth1 netns ns0-1

veth0分配IP地址,

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sudo ip addr add 192.168.5.1/24 dev veth0
sudo ip link set veth0 up

在命名空间ns0-1内,为veth1分配IP地址,

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sudo ip netns exec ns0-1 ip addr add 192.168.5.2/24 dev veth1
sudo ip netns exec ns0-1 ip link set veth1 up

测试网络。

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ping 192.168.5.2 -Iveth0
PING 192.168.5.2 (192.168.5.2) from 192.168.5.1 veth0: 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.5.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.048 ms
64 bytes from 192.168.5.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.057 ms

使用nsenter命令复用ns0-1

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nsenter --net=/var/run/netns/ns0-1 /bin/bash

在新启动的进程中,查看网络设备,

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ip link show
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
8: veth1@if9: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether a6:27:92:0d:4c:f5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
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ip addr show
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
8: veth1@if9: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether a6:27:92:0d:4c:f5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 192.168.5.2/24 scope global veth1
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::a427:92ff:fe0d:4cf5/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
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ping 192.168.5.1
PING 192.168.5.1 (192.168.5.1) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.5.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.069 ms
64 bytes from 192.168.5.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.050 ms
64 bytes from 192.168.5.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.058 ms

配置进程的网络命名空间

假设/bin/bash启动的网络命名空间隔离,

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sudo unshare --net --fork /bin/bash
echo $$
2296

ip netns操作的目录为/var/run/netns/,将/proc/2296/ns/net链接到/var/run/netns/目录下便可以为其配置网络空间。

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sudo ln -s /proc/2296/ns/net /var/run/netns/ns0-1

查看网络命名空间,

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ip netns list
ns0-1

使用ip命令为PID为2296的进程创建网络设备,

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sudo ip link add veth0 type veth peer name veth1
sudo ip link set veth1 netns ns0-1
sudo ip netns exec ns0-1 ip addr add 192.168.5.2/24 dev veth1
sudo ip netns exec ns0-1 ip link set veth1 up
sudo ip addr add 192.168.5.1/24 dev veth0
sudo ip link set veth0 up

PID为2296的进程中查看网络设备,可以发现veth1

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ip link show
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
4: veth1@if5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether a6:27:92:0d:4c:f5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
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ip addr show
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
4: veth1@if5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether a6:27:92:0d:4c:f5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 192.168.5.2/24 scope global veth1
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::a427:92ff:fe0d:4cf5/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
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ping 192.168.5.1 -Iveth1 -c3
PING 192.168.5.1 (192.168.5.1) from 192.168.5.2 veth1: 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.5.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.063 ms
64 bytes from 192.168.5.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.057 ms
64 bytes from 192.168.5.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.069 ms

--- 192.168.5.1 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 2017ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.057/0.063/0.069/0.005 ms

unshare 和 nsenter

unshare

Run a program with some namespaces unshared from the parent.

unshare可以指定创建新的命名空间,而不从父进程继承。

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unshare --help

Usage:
 unshare [options] [<program> [<argument>...]]

Run a program with some namespaces unshared from the parent.

Options:
 -m, --mount[=<file>]      unshare mounts namespace
 -u, --uts[=<file>]        unshare UTS namespace (hostname etc)
 -i, --ipc[=<file>]        unshare System V IPC namespace
 -n, --net[=<file>]        unshare network namespace
 -p, --pid[=<file>]        unshare pid namespace
 -U, --user[=<file>]       unshare user namespace
 -C, --cgroup[=<file>]     unshare cgroup namespace
 -T, --time[=<file>]       unshare time namespace

 -f, --fork                fork before launching <program>
 --map-user=<uid>|<name>   map current user to uid (implies --user)
 --map-group=<gid>|<name>  map current group to gid (implies --user)
 -r, --map-root-user       map current user to root (implies --user)
 -c, --map-current-user    map current user to itself (implies --user)

 --kill-child[=<signame>]  when dying, kill the forked child (implies --fork)
                             defaults to SIGKILL
 --mount-proc[=<dir>]      mount proc filesystem first (implies --mount)
 --propagation slave|shared|private|unchanged
                           modify mount propagation in mount namespace
 --setgroups allow|deny    control the setgroups syscall in user namespaces
 --keep-caps               retain capabilities granted in user namespaces

 -R, --root=<dir>          run the command with root directory set to <dir>
 -w, --wd=<dir>            change working directory to <dir>
 -S, --setuid <uid>        set uid in entered namespace
 -G, --setgid <gid>        set gid in entered namespace
 --monotonic <offset>      set clock monotonic offset (seconds) in time namespaces
 --boottime <offset>       set clock boottime offset (seconds) in time namespaces

 -h, --help                display this help
 -V, --version             display version

For more details see unshare(1).

例如,unshare选择了选项--net,这意味着新的进程拥有新的网络命令空间,

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sudo unshare --net --fork /bin/bash
ip addr
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

可以看到除了环路设备外没有其它网络设备。

--net[=<file>]是指创建的新的网络命名空间会另存在指定文件中,在进程关闭后命名空间不消失。

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touch ./net-ns
sudo unshare --net=./net-ns --fork /bin/bash
ip link add veth0 type veth peer name veth1
ip link show
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: veth1@veth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 52:a6:8e:fa:09:bd brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: veth0@veth1: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether ea:b9:c4:c1:bd:2c brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

本质上是将/proc/$pid/ns/net挂载在了net-ns文件上(mount bind)。可以使用nsenter来复用命名空间。

nsenter

Run a program with namespaces of other processes.

nsenter可以为新启动的进程复用其它进程的命名空间。

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nsenter --help

Usage:
 nsenter [options] [<program> [<argument>...]]

Run a program with namespaces of other processes.

Options:
 -a, --all              enter all namespaces
 -t, --target <pid>     target process to get namespaces from
 -m, --mount[=<file>]   enter mount namespace
 -u, --uts[=<file>]     enter UTS namespace (hostname etc)
 -i, --ipc[=<file>]     enter System V IPC namespace
 -n, --net[=<file>]     enter network namespace
 -p, --pid[=<file>]     enter pid namespace
 -C, --cgroup[=<file>]  enter cgroup namespace
 -U, --user[=<file>]    enter user namespace
 -T, --time[=<file>]    enter time namespace
 -S, --setuid <uid>     set uid in entered namespace
 -G, --setgid <gid>     set gid in entered namespace
     --preserve-credentials do not touch uids or gids
 -r, --root[=<dir>]     set the root directory
 -w, --wd[=<dir>]       set the working directory
 -F, --no-fork          do not fork before exec'ing <program>

 -h, --help             display this help
 -V, --version          display version

For more details see nsenter(1).

最常用的方法是-t来设置目标进程,配置-m-u-i-n等决定复用的命名空间。

--net[=<file>]这种形式可以直接指定命名空间路径,通常为/proc/$pid/ns/目录下的文件,当然它们的链接文件和挂载点同样可以。

例如,复用unshare的另存的命名空间(挂载文件)

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sudo nsenter --net=./net-ns /bin/bash
ip link
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: veth1@veth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 52:a6:8e:fa:09:bd brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: veth0@veth1: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether ea:b9:c4:c1:bd:2c brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

复用链接文件,

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ln -s /proc/4779/ns/net ./net-ns-link
sudo nsenter --net=./net-ns-link /bin/bash
ip link
1: lo: <LOOPBACK> mtu 65536 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: veth1@veth0: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 52:a6:8e:fa:09:bd brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: veth0@veth1: <BROADCAST,MULTICAST,M-DOWN> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether ea:b9:c4:c1:bd:2c brd ff:ff:ff:ff:ff:ff