Kubernetes安全加固

前言

随着更多的组织开始拥抱云原生技术，Kubernetes已成为容器编排领域的行业标准。向 Kubernetes转变的这股潮流，很大程度上简化了容器化应用程序的部署、扩展和管理，并实现了自动化，为传统的单体式系统提供了胜于传统管理协议的众多优势。

然而，管理大规模的Kubernetes带来了一系列独特挑战，包括加固集群、保护供应链以及运行时检测威胁。本文结合云原生计算基金会（CNCF）、美国国家安全局（NSA）以及网络安全和基础设施安全局（CISA）的诸多最佳实践，整理出Kubernetes安全加固的6个建议，帮助组织降低风险。

集群设置和加固

保护Kubernetes环境从加固集群开始。对于使用托管Kubernetes服务（比如GKE、EKS或AKS）的用户而言，由相应的云提供商管理主节点安全，并为集群实施各种默认安全设置。GKE Autopilot采取了额外措施，实施GKE加固准则和GCP安全最佳实践。但即使对于GKE Standard或EKS/AKS用户而言，云提供商也有一套准则，以保护用户对Kubernetes API服务器的访问、对云资源的容器访问以及Kubernetes升级。

准则如下：

• GKE加固指南

• EKS安全最佳实践指南

• AKS集群安全

至于自我管理的Kubernetes集群（比如kube-adm或kops），kube-bench可用于测试集群是否符合CIS Kubernetes Benchmark中规定的安全准则。主要的建议包括：加密存储在静态etcd中的机密信息、使用TLS证书保护控制平面通信以及开启审计日志功能。

网络和资源策略

默认情况下，Kubernetes允许从任何pod到同一集群中另一个pod的通信。虽然这对于发现服务而言很理想，但没有提供网络分离，不法分子或中招的系统可以无限制地访问所有资源。如果团队使用命名空间作为Kubernetes内部多租户的主要手段，这就成为非常严重的问题。

为了控制pod、命名空间和外部端点之间的流量，应使用支持NetworkPolicy API的CNI插件（比如Calico、Flannel或针对特定云的CNI），用于网络隔离。遵照零信任模型，最佳实践是实施默认一概拒绝的策略，阻止所有出入流量，除非另一项策略特别允许。

除了网络策略外，Kubernetes还提供两个资源级别的策略：LimitRange和ResourceQuotas。LimitRanges可用于限制单个资源的使用（如每个pod最多有2个CPU），而ResourceQuota控制聚合资源的使用（如在dev命名空间中总共有20个CPU）。

RBAC和服务账户

强大的网络和资源策略到位后，下一步是强制执行RBAC授权以限制访问。Kubernetes管理员可以对用户和用户组强制执行RBAC以访问集群，以及限制服务访问集群内外的资源（如云托管的数据库）。另外，企业使用创建时挂载到每个pod的默认服务账户时须谨慎。pod可能被授予过大的权限，这取决于授予默认服务账户的权限。如果不需要与Kubernetes服务进行任何特定的通信，将automountServiceAccountToken设置为false，以防止挂载。

系统加固

鉴于集群已安全，下一步是尽量缩小系统的攻击面。这适用于节点上运行的操作系统以及容器上的内核。选择为运行容器而优化的专用操作系统，如AWS Bottlerocket或GKE COS，而不是选择通用的Linux节点。接下来，充分利用Linux内核安全功能，如SELinux、AppArmor（自1.4起是测试版）及/或seccomp（自1.19起是稳定版）。AppArmor为Linux用户或用户组定义了将程序限制于一组有限资源的权限。一旦定义了AppArmor配置文件，带有AppArmor标注的pod将强制执行这些规则。

apiVersion:   v1
kind:   Pod
metadata:
        name: apparmor
        annotations:
                 container.apparmor.security.beta.kubernetes.io/hello:   localhost/k8s-apparmor-example-deny-write
spec:
        containers:
        - name: hello
            image: busybox
            command: [ "sh", "-c", "echo 'Hello   AppArmor!' && sleep 1h" ]

另一方面，Seccomp限制容器的系统调用。只要底层Kubernetes节点上有seccomp配置文件可用，就可以在securityContext这部分定义seccomp配置文件。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: audit-pod
  labels:
        app: audit-pod
spec:
  securityContext:
        seccompProfile:
                 type: Localhost
                 localhostProfile: profiles/audit.json
  containers:
  - name: test-container
       image: hashicorp/http-echo:0.2.3
       args:
        - "-text=just made some syscalls!"

即使没有seccomp配置文件，用户仍然可以限制容器免受各种权限提升攻击。在安全上下文中，Kubernetes允许配置容器是否可以以特权或root身份来运行，或者将权限升级到root。用户还可以限制hostPID、hostIPC、hostNetwork和hostPaths。所有这些设置都可以通过Pod Security Policy（v1.21中已被弃用）或使用其他开源工具（比如K-Rail、Kyverno和OPA/Gatekeeper）来执行。

最后，如果需要额外的安全保证，可以配置自定义的RuntimeClass，以便充分利用硬件虚拟化（如gVisor或Kata）。在节点层面定义RuntimeClass，并在pod定义部分指定它。

apiVersion:   node.k8s.io/v1 # RuntimeClass is defined in the node.k8s.io API group
kind:   RuntimeClass
metadata:
  name: myclass # The name the RuntimeClass   will be referenced by
  # RuntimeClass is a non-namespaced resource
handler:   myconfiguration # The name of the corresponding CRI configuration
---
apiVersion:   v1
kind:   Pod
metadata:
  name: mypod
spec:
  runtimeClassName: myclass

供应链安全

即使集群和系统安全，为保证整个应用程序的端到端安全，也必须考虑到供应链。若是内部开发的应用程序，请遵循创建容器的最佳实践，即使用最小基础镜像以减小攻击面、固定软件包版本，并使用多阶段构建以创建小镜像。此外，定义容器运行所需的非root用户，或使用podman构建无root容器，以限制root访问。

下一步，使用开源工具（如Trivy、Clair或Anchore）或者商用工具扫描所有镜像，以查找漏洞。一些工具还允许对镜像进行签名和验证签名，以确保容器在构建和上传过程中未被篡改。最后，定义Kubernetes可以使用ImagePolicyWebhook或上面提到的任何策略执行工具从中提取镜像的白名单注册表。

监控、日志和运行时安全

至此，我们有了一个供应链严加保护的安全集群，可以生成干净的、经过验证的镜像，有限的访问权限。然而环境是动态的，安全团队需能够响应运行环境中的事件。首先，将readOnlyRootFilesystem设置为true，并将tmp日志文件存储到emptyDir，以此确保容器在运行时不变。除了典型的应用程序监控（如Prometheus/Grafana）或日志（如EFK）存储外，还可以使用Falco或Sysdig来分析系统调用进程和Kubernetes API日志。

这两种工具都可以在运行时解析来自内核的Linux系统调用，并在违反规则时触发警报。示例规则包括：权限提升时发出警报，已知目录上检测到读/写事件时发出警报，或调用shell时发出警报。最后，将Kubernetes API审计日志与现有日志聚合和警报工具整合起来，以监控集群中的所有活动。这包括API请求历史记录、性能指标、部署、资源消耗、操作系统调用和网络流量。

总结

由于云原生系统很复杂，需要采用多层方法来保护Kubernetes环境。建议Kubernetes做好云原生安全的4C：云、集群、容器和代码。首先，加固集群，并遵循云安全最佳实践；其次，严加保护容器，减小攻击面，限制访问，并确保运行时不变；再次，保护供应链，分析代码和容器以查找漏洞。最后，监控运行时的所有活动，将防御机制融入Kubernetes内运行的每一层软件中。