云原生中的容器安全防護和實踐

【摘   要】 本文從容器技術、鏡像、網絡和運行環境等維度分析了應用容器帶來的4個安全挑戰，總結了5項應對舉措，并從容器全生命周期保護出發，提出了容器安全解決方案。

【關鍵詞】 云原生 容器安全

1 引言

隨著云計算的發展，以容器和微服務為代表的云原生技術，受到人們的廣泛關注，其中Docker和Kubernetes （K8S）是企業容器運行時和容器編排的首要選擇。然而，在應用容器和K8S過程中，大多數企業都遇到過不同程度的安全問題，如何保障容器安全，已成為企業最關心的問題。

2 應用容器帶來新挑戰

容器應用之前，云中應用系統多數運行于虛擬機上，但虛擬機仍會有額外的資源浪費和維護成本，而且其啟動速度較慢。為進一步提升應用交付效率和資源利用率，因具有占用資源少、部署速度快和便于遷移等特點，容器技術開始受到企業青睞。在典型的云原生環境中，通常包括主機、鏡像、容器、容器編排平臺、網絡和微服務等對象，但由于目前多數企業使用容器技術部署業務應用，故下面將重點分析與容器相關的安全挑戰。

2.1 容器技術風險

作為一種操作系統虛擬化技術，容器共享操作系統內核，但并未實現完全隔離，若虛擬化軟件存在漏洞，或宿主機被攻擊，將會造成容器逃逸或資源隔離失效，影響某個容器或多個容器的安全。

◎容器逃逸：利用虛擬化軟件存在的漏洞，攻擊者通過容器獲取主機權限，可攻擊容器所在主機，甚至是該主機上的其他容器。過去幾年內已經發現了多個相關漏洞，其中CVE-2019-5736是RunC的一個安全漏洞，它會導致18.09.2版本前的Docker允許惡意容器覆蓋宿主機上的RunC二進制文件，使攻擊者能夠以根用戶身份在宿主機上執行任意命令。

◎資源隔離失效：攻擊者只要攻破容器操作系統內核，就可訪問到主機上的文件系統，或進入其他容器，導致容器隔離失效。如果把主機的文件系統掛載到多個容器的目錄里，容器就可以訪問同一個目錄，將會引起信息泄露或內容篡改等安全問題。

2.2 不安全的鏡像

鏡像是一個包含應用/服務運行所必需的操作系統和應用文件的集合，用于創建一個或多個容器，它們之間緊密聯系，鏡像的安全性將會影響容器安全。根據鏡像創建和使用方式，通常有3個因素影響鏡像安全。

◎現有鏡像不安全：鏡像通常是開發者基于某個現有鏡像創建的，無論是攻擊者上傳的惡意鏡像，還是現有鏡像存在的安全缺陷，基于它創建的鏡像都將會是不安全的。

◎使用包含漏洞的軟件：開發者經常會使用軟件庫的代碼或軟件，如果它們存在漏洞或惡意代碼，一旦被制作成鏡像，也將會影響容器的安全。

◎鏡像被篡改：容器鏡像在存儲和使用的過程中，可能被篡改，如被植入惡意程序和修改內容。一旦使用被惡意篡改的鏡像創建容器后，將會影響容器和應用程序的安全。

2.3 東西向攻擊

網絡實現了容器之間、容器與外部之間的通信，以及應用之間的交互，但在虛擬化的容器網絡環境中，其網絡安全風險較傳統網絡更復雜、嚴峻。以Docker環境為例，它支持Bridge、Overlay和Macvlan等網絡，盡管實現方式不同，但有一個共同和普遍的問題：如果容器之間未進行有效隔離和控制，則一旦攻擊者控制某臺主機或某臺容器，可以以此為跳板，攻擊同主機或不同主機上的其他容器，也就是常提到的“東西向攻擊”，甚至有可能形成拒絕服務攻擊。

2.4 運行環境未加固

作為容器的載體和編排管理軟件，主機和容器編排平臺等運行環境也是容器安全的重要因素之一。如前所述，主機上的容器并未實現完全隔離，如果主機未進行安全加固，一旦攻擊者發起提權攻擊，將會控制主機上其他容器。對于不安全的容器編排平臺同樣如此，某汽車制造企業就曾深受其害，由于其公有云環境中的K8S Master節點未設置密碼保護，攻擊者在盜取訪問權限后，使用K8S集群挖掘加密貨幣。

3 容器安全應對舉措

容器就利用了大部分Linux通用的安全技術，它們構成了容器安全的基礎。面對新挑戰，無論傳統的安全加固，還是新的鏡像組成分析，鏡像、容器技術、網絡和主機等不同層面的安全措施，都將有助于提升容器安全性。

3.1 Linux內核安全

Linux通用的安全技術包括命名空間（Namespace）、控制組（Cgroups）、系統權限（Capability）、強制訪問控制（MAC）系統以及安全計算（Seccomp）等。一個好的容器平臺，應該具備這些能力，下文將聚焦前3種能力。

◎命名空間（Namespace）：本質上容器是由各種命名空間組成的，它們為容器提供了基礎隔離，讓每個容器擁有獨立的進程ID、網絡棧、根目錄、內存、用戶名和主機名，如圖1所示。

◎ 控制組（Cgroups）：控制組負責實現資源審計和限制，讓每個容器公平地分享主機資源，并設置了限制，以免單個容器過度消耗資源，影響到主機系統和其他容器運行，也可以防止拒絕服務攻擊，如圖2所示。

◎系統權限（Capability）：root用戶擁有全部的權限，以root身份運行容器很危險；但如果以非root身份在后臺運行容器的話，由于缺少權限會處處受限，系統權限機制可以提供細粒度的權限訪問控制，控制容器運行所需的root用戶權限，即使攻擊者取得了root權限，也不能獲得主機的較高權限，將會限制進一步的破壞，如圖3所示。

3.2 容器隔離

Linux通用安全技術為容器提供了基礎隔離，但未實現100%隔離。安全容器通過增加額外的隔離層可以進一步增加容器的安全性。它是一種容器運行時技術，為容器應用提供一個完整的操作系統執行環境（常常是 Linux ABI），將應用的執行與宿主機操作系統隔離開，避免應用直接訪問主機資源，從而可以在容器主機之間或容器之間提供額外的保護。

gVisor和Kata Containers是兩個有代表性的安全容器實現，其中Kata Containers通過使用硬件虛擬化，利用輕量級的虛擬機為容器提供隔離，每一個Container/Pod運行于獨立的虛擬機上，它們不再從主機內核上獲取相應所有的權限，Kata Containers結構及原理如圖4所示，與VM一樣能提供強隔離性。

3.3 鏡像安全

作為容器運行的基礎，容器鏡像的安全在整個容器安全生態中占據著重要位置。容器鏡像由若干層鏡像疊加而成，通過鏡像倉庫分發和更新。因此，可以從鏡像構建安全、倉庫安全以及鏡像分發安全3個方面實現鏡像安全。

◎鏡像構建安全：在構建鏡像時，驗證所依賴鏡像的完整性和來源，只安裝必要的軟件包，使用恰當的指令，縮小攻擊面，并利用加密技術，保護好密碼、令牌、密鑰和用戶秘密信息等。

◎鏡像倉庫安全：鏡像倉庫分為公共鏡像倉庫和私有鏡像倉庫，使用的公共鏡像倉庫應為官方發布的最新版本鏡像，對下載的鏡像要經過漏洞掃描評估，并保持定時更新。對于私有鏡像倉庫，一方面保持倉庫自身的安全性，如在使用時要配置相應的安全證書；另一方面使用鏡像過程中，利用用戶訪問權限控制確保交互過程的安全性。

◎鏡像分發安全：在鏡像下載和上傳時，利用數字簽名和https來保障容器鏡像的完整性和機密性，抵御中間人攻擊等威脅。

3.4 訪問控制

網絡的基本防護手段是隔離和訪問控制，容器網絡防護可使用容器環境自身安全機制或第三方微隔離產品。對于K8S網絡，其自身安全策略對每個Pod的入口強制執行訪問控制，從而能夠隔離高風險的微服務，但Pod內容器間通信和離開Pod的出口流量無法控制。第三方微隔離產品可以比K8S更詳細地記錄出入網絡連接、深入檢測網絡中威脅和攻擊、檢測數據泄露，以及實現7層微隔離和網絡可視化。

3.5 運行環境加固

利用安全基線對容器主機和K8S進行安全檢查和加固，將會進一步增加容器的安全性。CIS發布的Docker基線已成為Linux主機配置和Docker主機加固的最佳實踐。通過創建一個特權容器，將Docker主機安全配置與CIS基線進行對比，可以發現安全問題并實施加固。同樣，CIS也發布了K8S基線，傳統的漏洞掃描工具和獨立的容器安全產品（如Aqua Security和NeuVector）已經在GitHub上發布了腳本，可實現自動化的K8S安全檢查。

4 容器安全實踐

隨著DevOps興起，軟件開發人員與運維人員之間緊密合作，通過自動化流程來完成軟件開發、測試、發布和維護，整個過程更加快捷、頻繁和可靠，縮短了軟件上線時間，減少了很多重復性和人工工作�，F在，針對容器安全風險，已經形成了多種安全控制措施，如何將它們融入DevOps中高效保護應用系統，是容器安全實踐需要考慮的首要問題。

為此，我們秉承DevSecOps理念，提出了容器全生命周期安全保護方案，該方案利用容器安全管理系統，通過容器編排技術將安全容器部署于容器環境中，進行持續的檢測和分析，實現容器環境的資源可視化管理、鏡像風險管理、容器運行時安全管理、合規性檢測和微服務API風險管理，最終保障容器在構建、部署和運行整個生命周期的安全。

4.1 總體架構

容器安全防護方案采用模塊化和分層設計，通過與容器運行環境進行對接，實時獲取容器環境中的鏡像和容器等對象的相關信息，利用各種安全能力進行監控和分析，實施統一的安全管理，最后通過圖形化方式為用戶展示容器環境的安全態勢，如圖5所示。

◎安全管理層：負責安全管理功能，包括容器環境的資產管理、策略管理和安全能力管理等，通過安全能力適配將各種管理信息下發給各種安全能力，以及收集各種安全信息，經集中分析和處理后，集中對用戶展示容器環境的主機、容器、鏡像和網絡等對象的安全狀態。

◎安全能力層：負責提供具體安全能力，為容器環境提供安全保護，安全能力涉及系統安全掃描、鏡像文件分析、惡意文件分析、入侵檢測和微隔離等。

◎運行環境層：負責提供容器鏡像、容器編排管理等功能，以及運行應用程序的容器，并與容器能力層進行交互，共同實現容器安全防護。

4.2 容器全生命周期保護

根據容器安全防護架構，本方案將各種安全能力與DevOps流水線相結合，從持續集成/持續部署和運行時進行安全防護，為容器提供構建、部署和運行的全生命周期保護，到最終實現應用系統的安全運行，如圖6所示。

4.2.1 構建安全

在應用程序構建階段，通過與CI/CD流水線集成，分析構建鏡像時所使用的命令和配置參數，還原鏡像文件構建過程，掌握命令使用的敏感操作，以及分析鏡像文件是否包含密碼、令牌、密鑰和用戶私密信息等敏感信息。同時，分析鏡像的軟件組成，發現鏡像文件中包含的惡意文件、病毒，以及所使用的依賴庫和組件存在的安全漏洞，避免帶病交付。

4.2.2 部署安全

分析鏡像無風險后，鏡像被提交至鏡像倉庫。在該階段，將檢查容器環境的鏡像倉庫配置，確保使用加密方式連接鏡像倉庫。通過與K8S聯動，當鏡像倉庫中新增鏡像或使用鏡像創建容器時，自動化校驗鏡像簽名或MD5值，確保鏡像來源可信且未被篡改，一旦發現鏡像來源不可信或被篡改，禁止使用該鏡像創建容器。

4.2.3 運行安全

當確認鏡像安全后，進入到容器運行階段。在該階段利用系統安全掃描能力，基于Docker和K8SCIS基線，對主機和容器編排工具K8S進行合規性檢查，檢查范圍包括主機安全配置、Docker守護進程配置、Docker守護程序配置文件、容器鏡像和構建、容器運行安全和Docker安全操作等，確保容器運行環境安全。

同時，利用微隔離對容器進行網絡隔離，通過入侵檢測能力實時監測容器運行狀態，監測對象包括容器內運行進程（如netlink socket、perf event和eBPF）和文件系統，以及主機環境的權限提升和破壞容器隔離性等行為。當發現容器運行異常時，利用訪問控制機制限制容器進一步的行為和通信。

5 結語

伴隨著云原生應用發展，企業通過微服務來交付應用系統的比例在增加，容器安全也將不僅僅是容器自身和容器環境安全，將延伸到微服務安全和應用安全，企業在應用云原生技術時，應整體考慮容器安全，讓安全與云原生相融合，更好地保護應用系統。

 

（原載于《保密科學技術》雜志2021年1月刊）