基于Docker技術(shù)的容器隔離性分析

中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司軟件研究院 蔡志強(qiáng)

基于Docker技術(shù)的容器隔離性分析

中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司軟件研究院 蔡志強(qiáng)

Docker技術(shù)是一種基于Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的虛擬化技術(shù)，其主要在于借助對(duì)LXC（Linux Container）的擴(kuò)展而達(dá)到一種虛擬化的解決方案。其能夠保障每一個(gè)容器中服務(wù)的運(yùn)行環(huán)境是保持隔離的，這主要是通過(guò)內(nèi)核命名空間的特性來(lái)完成。由于Docker隔離機(jī)制的獨(dú)特性，運(yùn)行資源的開(kāi)銷(xiāo)較低，能夠很好地保障虛擬化的密度。文章基于Docker的工作原理展開(kāi)研究，對(duì)Docker的虛擬化隔離技術(shù)及容器隔離方案做出了詳盡的分析與討論。

Docker技術(shù)；隔離性；虛擬化

Docker是一個(gè)基于LXC的高級(jí)應(yīng)用容器引擎，其進(jìn)一步優(yōu)化了容器的使用體驗(yàn)，提供了容器管理的一些功能，如容器的版本管理、容器發(fā)布、容器移植等，讓使用者更方便的使用容器。Docker具備簡(jiǎn)化配置的優(yōu)點(diǎn)，其能夠讓開(kāi)發(fā)者把應(yīng)用程序以及程序所依靠的運(yùn)行環(huán)境和配置文件一同打包，達(dá)到“Build Once, Run Everywhere”的目標(biāo)，具備資源安全訪問(wèn)的特質(zhì)，能夠完成系統(tǒng)的隔離，具備輕量虛擬化的特質(zhì)，與傳統(tǒng)虛擬化對(duì)比，其具有啟動(dòng)速度更快、占用的資源較少的優(yōu)點(diǎn)。Docker最重要的特點(diǎn)在于其支持由任何編程語(yǔ)言和框架開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，使得Docker在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域被廣泛使用。

1. Docker技術(shù)原理

用戶使用Docker客戶端與Docker Daemon建立通訊，Docker Daemon提供Server的功能使其可以接受Docker客戶端的請(qǐng)求；Engine以任務(wù)的形式處理Docker的內(nèi)部工作，如從鏡像倉(cāng)庫(kù)下載鏡像并以Graph形式保存、建立Docker容器網(wǎng)絡(luò)，限制Docker資源配額及執(zhí)行用戶指令等；Libcontainer是一項(xiàng)獨(dú)立的容器管理包，實(shí)現(xiàn)對(duì)容器的具體操作。Docker 客戶端與Docker Daemon能夠通過(guò)REST-ful或socket接口通訊。其結(jié)構(gòu)模式詳見(jiàn)圖1。

圖1 Docker結(jié)構(gòu)

2. Docker與虛機(jī)機(jī)的比較

目前流行的完全虛擬化就是使用了Hypervisor軟件將底層硬件進(jìn)行了抽象模擬，其的好處在于可以支持針對(duì)物理硬件設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)及軟件，且支持多個(gè)異構(gòu)的GuestOS，提供了較好的GuestOS的獨(dú)立性，但是其缺點(diǎn)是會(huì)損失部分的系統(tǒng)性能。

容器是基于Linux內(nèi)核的虛擬化技術(shù)，其依賴內(nèi)核的相關(guān)特性實(shí)現(xiàn)隔離，與完全虛擬化的虛擬機(jī)不同，它不需要Hypervisor實(shí)現(xiàn)虛擬化宿主機(jī)的物理硬件，而是直接使用實(shí)際的物理硬件資源，更像是一個(gè)應(yīng)用程序與宿主機(jī)之間的交互。此外，容器使用宿主機(jī)的內(nèi)核，省略了內(nèi)核加載的步驟，啟動(dòng)更加快速。

3. 隔離性

由于每個(gè)虛擬機(jī)都有自己的GuestOS，從而保證了虛擬機(jī)之間的隔離，進(jìn)而達(dá)到同一宿主機(jī)上不同虛擬機(jī)間互不干擾的目的。Docker容器則是借助系統(tǒng)內(nèi)核來(lái)進(jìn)行安全性隔離，即通過(guò)namespace進(jìn)行隔離、cgroup進(jìn)行資源限制、capability進(jìn)行權(quán)限限制。但同一臺(tái)宿主機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)核卻是共享的，多個(gè)容器的系統(tǒng)調(diào)用均是通過(guò)宿主機(jī)的內(nèi)核處理，這為容器留下了一定的安全隱患。因此，我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到容器并不是全封閉隔離的。

3.1 用戶命名空間隔離

Docker容器使用了Linux內(nèi)核中提供的6種命名空間隔離：

1）UTS 命名空間負(fù)責(zé)主機(jī)名和域名的隔離，使得容器都擁有自己的主機(jī)名和域名，可以被看作為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

2）IPC命名空間負(fù)責(zé)信號(hào)量、消息隊(duì)列和共享內(nèi)存的隔離，其包含了系統(tǒng)IPC標(biāo)示符以及實(shí)現(xiàn)POSIX消息隊(duì)列的文件系統(tǒng)，使得同一個(gè)IPC命名空間下的進(jìn)程彼此可見(jiàn)，不同的則相互不可見(jiàn)；

3）PID命名空間負(fù)責(zé)進(jìn)程PID編號(hào)的隔離，不同的PID命名空間下的進(jìn)程可以有相同的PID，每個(gè)PID命名空間都有獨(dú)立的計(jì)數(shù)程序。

4）Network命名空間負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)資源的隔離，這里的隔離并非真正意義的網(wǎng)絡(luò)隔離，而是把容器的網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立出來(lái)，如同一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體來(lái)與外部通信。

5）Mount命名空間負(fù)責(zé)掛載點(diǎn)的隔離，不同Mount命名空間下的文件夠發(fā)生變化互不影響。

6）User命名空間負(fù)責(zé)安全相關(guān)的標(biāo)示符和屬性的隔離，包括用戶ID、用戶組ID、root目錄、密鑰key以及特殊權(quán)限等，該命名空間技術(shù)支持進(jìn)程在容器內(nèi)外可以擁有不同級(jí)別的權(quán)限。

3.2 cgroup資源限制

Docker容器通過(guò)cgroup來(lái)實(shí)現(xiàn)組進(jìn)程并管理它們的資源總消耗，分享可用的硬件資源到容器并限制容器的內(nèi)存和CPU的使用，cgroup提供了以下4大功能：

1）資源限制：對(duì)任務(wù)使用的資源總量進(jìn)行限制，如應(yīng)用在運(yùn)行時(shí)超過(guò)上限配額就會(huì)給與提示；

2）優(yōu)先級(jí)分配：通過(guò)分配的CPU時(shí)間片數(shù)量及磁盤(pán)IO帶寬大小，實(shí)際上就相當(dāng)于控制了任務(wù)的優(yōu)先級(jí)；

3）資源統(tǒng)計(jì)：可以統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的資源使用量，如CPU、內(nèi)存等使用情況；

4）任務(wù)控制：可以對(duì)任務(wù)進(jìn)行掛起、恢復(fù)等操作。

3.3 capability權(quán)限限制

從Linux內(nèi)核2.2版本開(kāi)始，Linux支持把超級(jí)用戶不同單元的權(quán)限分離，可以單獨(dú)的開(kāi)啟和禁止，即capability的概念。可以將capability賦給普通的進(jìn)程，使其可以做root用戶可以做的事情。內(nèi)核在驗(yàn)證進(jìn)程是否具有某項(xiàng)權(quán)限時(shí)，不再驗(yàn)證該進(jìn)程的是特權(quán)進(jìn)程(有效用戶ID為0)和非特權(quán)進(jìn)程(有效用戶ID非0)，而是驗(yàn)證該進(jìn)程是否具有其進(jìn)行該操作的capability。不合理的禁止capability，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用崩潰。目前Docker默認(rèn)啟用一個(gè)嚴(yán)格capability限制權(quán)限，同時(shí)支持開(kāi)發(fā)者通過(guò)命令行來(lái)改變其默認(rèn)設(shè)置，保障可用性的同時(shí)又可以確保其安全。

4. 結(jié)束語(yǔ)

Docker技術(shù)通過(guò)LXC來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)的虛擬化，通過(guò)namespace進(jìn)行隔離、cgroup進(jìn)行資源限制、capability進(jìn)行權(quán)限限制，以滿足容器的安全隔離。然而由于Docker容器是共享Linux內(nèi)核的，所以我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到容器并非嚴(yán)格全封閉，使用Docker容器一定需要注意保證內(nèi)核的安全和穩(wěn)定，并配合必要的監(jiān)控和容錯(cuò)。

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