7. User namespaces

User namespace主要隔离了安全相关的标识符（identifiers）和属性（attributes），包括用户ID、用户组ID、root目录、key（指密钥）以及特殊权限。说得通俗一点，一个普通用户的进程通过clone()创建的新进程在新user namespace中可以拥有不同的用户和用户组。这意味着一个进程在容器外属于一个没有特权的普通用户，但是他创建的容器进程却属于拥有所有权限的超级用户，这个技术为容器提供了极大的自由。

User namespace是目前的六个namespace中最后一个支持的，并且直到Linux内核3.8版本的时候还未完全实现（还有部分文件系统不支持）。因为user namespace实际上并不算完全成熟，很多发行版担心安全问题，在编译内核的时候并未开启USER_NS。实际上目前Docker也还不支持user namespace，但是预留了相应接口，相信在不久后就会支持这一特性。所以在进行接下来的代码实验时，请确保你系统的Linux内核版本高于3.8并且内核编译时开启了USER_NS（如果你不会选择，可以使用Ubuntu14.04）。

Linux中，特权用户的user ID就是0，演示的最终我们将看到user ID非0的进程启动user namespace后user ID可以变为0。使用user namespace的方法跟别的namespace相同，即调用clone()或unshare()时加入CLONE_NEWUSER标识位。老样子，修改代码并另存为userns.c，为了看到用户权限(Capabilities)，可能你还需要安装一下libcap-dev包。

首先包含以下头文件以调用Capabilities包。

1. #include <sys/capability.h>

其次在子进程函数中加入geteuid()和getegid()得到namespace内部的user ID，其次通过cap_get_proc()得到当前进程的用户拥有的权限，并通过cap_to_text（）输出。

1. int child_main(void* args) {
2. printf("在子进程中!\n");
3. cap_t caps;
4. printf("eUID = %ld; eGID = %ld; ",
5. (long) geteuid(), (long) getegid());
6. caps = cap_get_proc();
7. printf("capabilities: %s\n", cap_to_text(caps, NULL));
8. execv(child_args[0], child_args);
9. return 1;
10. }

在主函数的clone()调用中加入我们熟悉的标识符。

1. //[...]
2. int child_pid = clone(child_main, child_stack+STACK_SIZE,
3. CLONE_NEWUSER | SIGCHLD, NULL);
4. //[...]

至此，第一部分的代码修改就结束了。在编译之前我们先查看一下当前用户的uid和guid，请注意此时我们是普通用户。

1. $ id -u
2. 1000
3. $ id -g
4. 1000

然后我们开始编译运行，并进行新建的user namespace，你会发现shell提示符前的用户名已经变为nobody。

1. sun@ubuntu$ gcc userns.c -Wall -lcap -o userns.o && ./userns.o
2. 程序开始:
3. 在子进程中!
4. eUID = 65534; eGID = 65534; capabilities: = cap_chown,cap_dac_override,[...]37+ep <<--此处省略部分输出，已拥有全部权限
5. nobody@ubuntu$

通过验证我们可以得到以下信息。

• user namespace被创建后，第一个进程被赋予了该namespace中的全部权限，这样这个init进程就可以完成所有必要的初始化工作，而不会因权限不足而出现错误。
• 我们看到namespace内部看到的UID和GID已经与外部不同了，默认显示为65534，表示尚未与外部namespace用户映射。我们需要对user namespace内部的这个初始user和其外部namespace某个用户建立映射，这样可以保证当涉及到一些对外部namespace的操作时，系统可以检验其权限（比如发送一个信号或操作某个文件）。同样用户组也要建立映射。
• 还有一点虽然不能从输出中看出来，但是值得注意。用户在新namespace中有全部权限，但是他在创建他的父namespace中不含任何权限。就算调用和创建他的进程有全部权限也是如此。所以哪怕是root用户调用了clone()在user namespace中创建出的新用户在外部也没有任何权限。
• 最后，user namespace的创建其实是一个层层嵌套的树状结构。最上层的根节点就是root namespace，新创建的每个user namespace都有一个父节点user namespace以及零个或多个子节点user namespace，这一点与PID namespace非常相似。

接下来我们就要进行用户绑定操作，通过在/proc/[pid]/uid_map和/proc/[pid]/gid_map两个文件中写入对应的绑定信息可以实现这一点，格式如下。

1. ID-inside-ns ID-outside-ns length

写这两个文件需要注意以下几点。

• 这两个文件只允许由拥有该user namespace中CAP_SETUID权限的进程写入一次，不允许修改。
• 写入的进程必须是该user namespace的父namespace或者子namespace。
• 第一个字段ID-inside-ns表示新建的user namespace中对应的user/group ID，第二个字段ID-outside-ns表示namespace外部映射的user/group ID。最后一个字段表示映射范围，通常填1，表示只映射一个，如果填大于1的值，则按顺序建立一一映射。

明白了上述原理，我们再次修改代码，添加设置uid和guid的函数。

1. //[...]
2. void set_uid_map(pid_t pid, int inside_id, int outside_id, int length) {
3. char path[256];
4. sprintf(path, "/proc/%d/uid_map", getpid());
5. FILE* uid_map = fopen(path, "w");
6. fprintf(uid_map, "%d %d %d", inside_id, outside_id, length);
7. fclose(uid_map);
8. }
9. void set_gid_map(pid_t pid, int inside_id, int outside_id, int length) {
10. char path[256];
11. sprintf(path, "/proc/%d/gid_map", getpid());
12. FILE* gid_map = fopen(path, "w");
13. fprintf(gid_map, "%d %d %d", inside_id, outside_id, length);
14. fclose(gid_map);
15. }
16. int child_main(void* args) {
17. cap_t caps;
18. printf("在子进程中!\n");
19. set_uid_map(getpid(), 0, 1000, 1);
20. set_gid_map(getpid(), 0, 1000, 1);
21. printf("eUID = %ld; eGID = %ld; ",
22. (long) geteuid(), (long) getegid());
23. caps = cap_get_proc();
24. printf("capabilities: %s\n", cap_to_text(caps, NULL));
25. execv(child_args[0], child_args);
26. return 1;
27. }
28. //[...]

编译后即可看到user已经变成了root。

1. $ gcc userns.c -Wall -lcap -o usernc.o && ./usernc.o
2. 程序开始:
3. 在子进程中!
4. eUID = 0; eGID = 0; capabilities: = [...],37+ep
5. root@ubuntu:~#

至此，你就已经完成了绑定的工作，可以看到演示全程都是在普通用户下执行的。最终实现了在user namespace中成为了root而对应到外面的是一个uid为1000的普通用户。

如果你要把user namespace与其他namespace混合使用，那么依旧需要root权限。解决方案可以是先以普通用户身份创建user namespace，然后在新建的namespace中作为root再clone()进程加入其他类型的namespace隔离。

讲完了user namespace，我们再来谈谈Docker。虽然Docker目前尚未使用user namespace，但是他用到了我们在user namespace中提及的Capabilities机制。从内核2.2版本开始，Linux把原来和超级用户相关的高级权限划分成为不同的单元，称为Capability。这样管理员就可以独立对特定的Capability进行使能或禁止。Docker虽然没有使用user namespace，但是他可以禁用容器中不需要的Capability，一次在一定程度上加强容器安全性。

当然，说到安全，namespace的六项隔离看似全面，实际上依旧没有完全隔离Linux的资源，比如SELinux、 Cgroups以及/sys、/proc/sys、/dev/sd*等目录下的资源。关于安全的更多讨论和讲解，我们会在后文中接着探讨。

8. 总结

本文从namespace使用的API开始，结合Docker逐步对六个namespace进行讲解。相信把讲解过程中所有的代码整合起来，你也能实现一个属于自己的“shell”容器了。虽然namespace技术使用起来非常简单，但是要真正把容器做到安全易用却并非易事。PID namespace中，我们要实现一个完善的init进程来维护好所有进程；network namespace中，我们还有复杂的路由表和iptables规则没有配置；user namespace中还有很多权限上的问题需要考虑等等。其中有些方面Docker已经做的很好，有些方面也才刚刚开始。希望通过本文，能为大家更好的理解Docker背后运行的原理提供帮助。