Azure：打造安全的容器，為“云原生”構(gòu)筑堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

近一段時間來，“云原生”已成為企業(yè)應(yīng)用開發(fā)和IT運(yùn)維領(lǐng)域妥妥的“網(wǎng)紅級”概念。借助靈活的微服務(wù)架構(gòu)和容器化運(yùn)維方式，以及持續(xù)的自動化構(gòu)建與發(fā)布能力、聲明式API還有服務(wù)網(wǎng)格等技術(shù)的加持，云原生應(yīng)用已經(jīng)在很多方面徹底改變了企業(yè)設(shè)計(jì)、開發(fā)、發(fā)布和運(yùn)維應(yīng)用程序的方式，讓上云的企業(yè)在靈活性、彈性、成本等諸多方面獲得了顯著收益。

其實(shí)“云原生”這個概念依然還比較新，并且隨著技術(shù)和需求的演化，其相關(guān)定義依然在不斷迭代更新。之前我們曾對微服務(wù)進(jìn)行過簡單的介紹，錯過的童鞋可以點(diǎn)擊這里回看 。本文，我們會一起看看容器的安全與保護(hù)問題，并通過分享安全設(shè)計(jì)實(shí)踐，告訴大家如何加固容器本身的安全性，為云原生應(yīng)用打造一個堅(jiān)實(shí)、可靠的基礎(chǔ)。

容器 | 使用和安全現(xiàn)狀

首先來看看早前的一次統(tǒng)計(jì)結(jié)果：

彼時，Docker還占據(jù)主要份額。但不容忽視的是，容器化的Containerd份額在當(dāng)時已經(jīng)出現(xiàn)了大幅增加。目前，Kubernetes社區(qū)版本已經(jīng)在1.20版之后，將對Docker的支持改成了“Deprecated”，并將從1.23版之后徹底移除對Docker的支持。

不過Azure Kubernetes Service的動作更快。早在1.19版本就開始使用Containerd取代Docker了。對用戶來說，我們不可避免需要經(jīng)歷遷移過程，包括用criCtl工具替換Docker，以及日志位置和形式的變化等。

總結(jié)來說：RKT、LXC、Mesos等容器運(yùn)行時已經(jīng)很少見，Docker和Containerd基本成為容器運(yùn)行時的主流實(shí)現(xiàn)。

另外，在編排工具方面，毫無懸念Kubernetes已占據(jù)榜首。如下圖所示，可見加上OpenShift以及Rancher，其占有比例高達(dá)89%，Swarm則從2018年的11%下降到了5%。

從上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，容器和容器編排等主導(dǎo)技術(shù)棧的發(fā)展趨勢已經(jīng)很明顯了，但容器安全方面并沒有那么樂觀。有一些非常觸目驚心的數(shù)據(jù)值得我們每個人警醒：

60%的受訪者所在組織在過去一年內(nèi)碰到過安全事件

93%的受訪者不是非常清楚問題的狀況

82%的受訪者認(rèn)為，由于采用了容器，需要重新思考安全職責(zé)問題

那么對于容器技術(shù)來說，到底為我們造成了哪些安全挑戰(zhàn)？我們該采取怎樣的應(yīng)對措施？

容器帶來的安全挑戰(zhàn)和應(yīng)對策略

容器還是虛擬機(jī)，這是個問題：

容器是一種“軟件包”，其中包含了能在任何環(huán)境中運(yùn)行應(yīng)用所需的全部元素。容器可以通過虛擬化操作系統(tǒng)在任何地方（私有數(shù)據(jù)中心、公有云、開發(fā)者的個人計(jì)算機(jī)）。但是它的虛擬化程度與虛擬機(jī)還有很大區(qū)別。

通過下圖的對比可以看出：傳統(tǒng)虛擬機(jī)會占用大量磁盤空間，除了虛擬機(jī)托管的應(yīng)用程序外，還包含完整的操作系統(tǒng)和相關(guān)工具；容器則相對較輕，僅包含運(yùn)行容器化應(yīng)用程序所需的庫和工具，因此比虛擬機(jī)更緊湊，并且啟動速度更快。

      虛擬機(jī)                                      容器            

容器的主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)：

以Docker容器為例，主要使用這三大特性來實(shí)現(xiàn)虛擬化與隔離：cgroup + namespace + docker image：

cgroup (資源限制):

驅(qū)動 ：

• cgroupfs:

要限制內(nèi)存, CPU等資源限制寫入pid對應(yīng)的一個cgroup文件

• systemd :

提供一個cgroup管理方式，所有的寫cgroup操作都必須通過systemd的接口來完成，不能手動更改cgroup的文件。

常用顯示項(xiàng)目:

• CPU:計(jì)算

• Memory:內(nèi)存

• Device:設(shè)備

• Freezer:批任務(wù)凍結(jié)(為了安全)

• Blkio:磁盤訪問

• Pid:創(chuàng)建進(jìn)程數(shù)量

namespace (隔離):

• mount : 文件系統(tǒng)的視圖，是容器鏡像提供的一個文件系統(tǒng)。

• uts : 隔離hostname和domain。 

• pid namespace : 保證容器的init進(jìn)程是以1號進(jìn)程來啟動。

• network namespace : 除host網(wǎng)絡(luò)這種模式，其他所有的網(wǎng)絡(luò)模式都有一個networknamespace的文件。

• user namespace : 控制用戶UID和GID在容器內(nèi)部和宿主機(jī)上的一個映射。

• IPC namespace : 控制了進(jìn)程兼通信的一些東西，比方說信號量。

docker image

• 基于聯(lián)合文件系統(tǒng)

• 不同層可以被其他鏡像復(fù)用

•  容器讀寫層作為最新的鏡像最新一層

容器化所采用的主要安全技術(shù)：

容器在帶來輕量與便利的同時，也帶來一些安全問題。主要原因包括：

• 多個容器間使用的還是同一宿主機(jī)的操作系統(tǒng)內(nèi)核；

• Linux內(nèi)核中很多資源和對象不能被Namespace化；

• 系統(tǒng)調(diào)用甄別變得復(fù)雜（雖然可以通過Seccomp等技術(shù)過濾和甄別容器內(nèi)部發(fā)起的所有系統(tǒng)調(diào)用來進(jìn)行安全加固，但多了一層對系統(tǒng)調(diào)用的過濾，會拖累容器性能。此外，默認(rèn)情況下我們也很難知道到底該開啟哪些系統(tǒng)調(diào)用，禁止哪些系統(tǒng)調(diào)用）。

隨著大家對安全越來越重視，容器安全技術(shù)本身也在不斷的加強(qiáng)和演進(jìn)。具有代表性的技術(shù)包括：

• 默認(rèn)利用Capability限制容器Root用戶的能力。Docker默認(rèn)容器的Capability包括（Docker的默認(rèn)Secomp可參閱

  https://github.com/moby/moby/blob/master/profiles/seccomp/default.json）：

• Seccomp系統(tǒng)調(diào)用過濾：

• 結(jié)合seLinux或Apparmor實(shí)現(xiàn)MAC訪問控制：

打造安全的容器：

容器安全問題的本質(zhì)是共享內(nèi)核。為了解決該問題，逐漸發(fā)展出“安全容器”這一概念，其主要代表技術(shù)有Kata Containers和Gvisor。

Kata Containers的本質(zhì)是一個輕量化虛擬機(jī)。當(dāng)我們啟動一個Kata Containers后，會看到一個正常的虛擬機(jī)在運(yùn)行。這也就意味著：標(biāo)準(zhǔn)的虛擬機(jī)管理程序（Virtual Machine Manager, VMM）是運(yùn)行Kata Containers的必備組件。

2018年，Google發(fā)布了gVisor項(xiàng)目。gVisor項(xiàng)目給容器進(jìn)程配置了一個用Go語言實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在用戶態(tài)的極小“獨(dú)立內(nèi)核”。這個內(nèi)核對容器進(jìn)程暴露Linux內(nèi)核，扮演“Guest Kernel”的角色，從而達(dá)到了將容器與宿主機(jī)隔離的目的。兩者大致架構(gòu)對比如下：

容器docker-bench-security：

在具體的生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)境中，我們可執(zhí)行腳本得到最佳實(shí)踐校驗(yàn)結(jié)果。運(yùn)維人員可結(jié)合這些建議作出修改和備注。詳細(xì)地址如下：https://github.com/docker/docker-bench-security

下圖是執(zhí)行結(jié)果，從中可以看到各個級別的條目：

鏡像安全掃描：

容器的執(zhí)行程序和文件系統(tǒng)是鏡像，要保障容器安全，鏡像的安全掃描也非常重要。開源的鏡像掃描產(chǎn)品可選擇Clair。

在Azure上，容器注冊的Azure Defender包含一個漏洞掃描程序，可掃描基于Azure資源管理器的Azure Container Registry注冊表中的鏡像。該技術(shù)由業(yè)界領(lǐng)先的漏洞掃描供應(yīng)商Qualys提供支持。

Kubernetes的安全問題

Kubernetes的安全問題可從幾個不同層面展開。

首先，Kubernetes本身是一個資源對象管理平臺，通過把不同對象進(jìn)行抽象，形成平臺能夠識別的資源對象，例如Pod、Namespace、ReplicaSet等。訪問這些對象需要統(tǒng)一的API，在API層面主要有三種安全機(jī)制：認(rèn)證、授權(quán)，以及準(zhǔn)入控制。

Kubernetes API訪問控制：

其中準(zhǔn)入控制又分成兩種Hook：

1. Mutating admission webhook：對資源的定義聲明作出相應(yīng)修改；

2. Validating admission webhook：判斷資源是否可以創(chuàng)建或更新。

在API認(rèn)證方面，使用最普遍的是X509和ServiceAccount方式。

X509是通過指定相應(yīng)Name和Group屬性實(shí)現(xiàn)的：

Pod的ServiceAccount認(rèn)證方式如下圖所示：

在授權(quán)方面，則主要采取了基于角色的訪問控制機(jī)制。Kubernetes中的角色可根據(jù)是否需要跨名稱空間訪問而分成Role和ClusterRole，同時綁定關(guān)系也可分成RoleBinding和ClusterRoleBinding，它們之間的關(guān)系如下圖所示：

此外還要注意Kubernetes的安全上下文問題。由于Kubernetes底層還是通過調(diào)用容器運(yùn)行時來對容器進(jìn)行生命周期管理和安全限制，所以上述有關(guān)Docker的安全思路也適用于Kubernetes，借此可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行時的控制。詳細(xì)內(nèi)容可參閱下圖：

除了通過上述securityContext對運(yùn)行時加以控制外，Kubernetes還引入了資源安全規(guī)則對象PodSecurityPolicy，借此實(shí)現(xiàn)對名稱空間內(nèi)Pod的統(tǒng)一安全控制。主要控制內(nèi)容如下：

其工作流程如下圖所示：

在流量訪問控制方面，Kubernetes中進(jìn)出站流量可通過NetworkPolicy加以定義。具體來說，我們可以定義如下的內(nèi)容：

ServiceMesh：

如果需要多租戶或企業(yè)級別的流量和安全管控，僅使用NetworkPolicy是不夠的。此時需要引入ServiceMesh。各個ServiceMesh在Kubernetes這個基座之上都能很好地運(yùn)行。

當(dāng)前流行的ServiceMesh主要有Istio和Linkerd。下圖展示了以Istio為代表地ServiceMesh整體架構(gòu)圖和組件構(gòu)成。因?yàn)樗旧硪灿幸欢ǖ呐渲煤凸芾韽?fù)雜性，對性能損耗也不能忽略，因此對于技術(shù)團(tuán)隊(duì)不完整的公司，很多還處于觀望狀態(tài)。

OpenAgentPolicy

由于PodSecurityPolicy本身只能定義Pod的規(guī)則，而在云原生應(yīng)用中，包括在各個公有云或私有云中，還會引入更多資源類型，如Service、Node等。

開源社區(qū)也逐步開始廢棄PodSecurityPolicy，轉(zhuǎn)為推薦通過OpenAgentPolicy框架實(shí)現(xiàn)對各種資源的約束。因?yàn)樾枰s束各種資源，因而有必要提供更大靈活性，進(jìn)而引入了一種新的，表達(dá)能力更豐富的規(guī)則語言：Rego。實(shí)例請參照下圖：

具體到Kubernetes平臺，我們需要使用GateKeeper這個組件。

在Azure云平臺中，則是通過Azure Policy來實(shí)現(xiàn)和替代這個功能的：

存儲安全

Kubernetes可將密鑰等機(jī)密信息存儲在Secret資源之中，但查看etcd中的內(nèi)容會發(fā)現(xiàn)一切都以明文方式實(shí)現(xiàn)，這就會導(dǎo)致一些安全問題，例如：

在Azure上提供專門保護(hù)加密密鑰、證書（以及與證書關(guān)聯(lián)的私鑰）和機(jī)密（例如連接字符串和密碼）等存儲敏感數(shù)據(jù)和關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的服務(wù)--Azure Key Vault。它可以與Azure Kubernetes Service無縫集成，最大限度提高這些敏感信息的訪問和存儲安全性。

Azure Kubernetes Service安全

AKS中主要包含下圖所示的Kubernetes功能模塊，大致可分為控制平面和數(shù)據(jù)平面兩部分：

Azure Kubernetes Service是基于Azure云平臺的托管Kubernetes服務(wù)。它把控制平面變成了一種托管的平臺服務(wù)，客戶無需管理API Servers、Etcd等組件，只需要為自己的Agent node付費(fèi)。同時在安全方面，Azure平臺提供了Application Gateway、Azure Firewall、Azure Key Vault等服務(wù)來保證系統(tǒng)安全。

下圖是一個比較常見的，以Azure Kubernetes Service為基礎(chǔ)的整體架構(gòu)圖：

整個架構(gòu)分為四大部分：

1.容器和鏡像安全：

• 通過AAD認(rèn)證保證容器認(rèn)證安全

• 通過ACR鏡像掃描保證鏡像安全

2.節(jié)點(diǎn)和集群安全：

• 節(jié)點(diǎn)自動補(bǔ)丁更新

• 節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布到私有網(wǎng)絡(luò)中

3.Pod安全：

• 通過Azure Policy提供豐富的安全定義

4.流量安全：

• 通過存儲加密

• 通過Key Vault保證秘鑰等安全

• 通過Azure Application Gateway等保證訪問安全

關(guān)于AKS的詳細(xì)信息請參閱相關(guān)文檔。同時這方面還有一些動手實(shí)驗(yàn)，詳情可參閱https://github.com/sme-csu/aks-security-design-practice。

容器的安全性是一個很龐大的話題，限于篇幅，本文不可能一一進(jìn)行詳細(xì)介紹。希望上述內(nèi)容能起到拋磚引玉的作用，幫助大家更好地了解相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)出更安全的容器環(huán)境。

如果希望進(jìn)一步了解本文涵蓋的相關(guān)話題，可前往https://github.com/sme-csu/App-Mod查看相關(guān)演示文檔和視頻教程。

如果有任何意見或建議，也歡迎通過留言進(jìn)行交流。