作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
容器安全是云计算领域的一个热点话题，也是容器技术火爆的重要原因之一。本系列文章将详细阐述容器安全相关技术及关键技术体系，并着重探讨云原生应用中容器安全的实现方式以及应对方案。主要包括如下几个方面：
1、什么是容器安全 2、容器安全技术概览 3、容器漏洞管理系统 4、云原生应用中的容器安全 5、容器安全监控工具 6、容器安全相关开源组件 7、云原生安全管理实践建议 文章结构：本文将分为三个部分介绍，第一部分介绍文章背景，第二部分简要介绍了容器安全的相关概念和基础知识，第三部分则从云原生应用中的容器安全技术展开。
2.基本概念术语说明
2.1 概念术语
2.1.1 Docker
Docker是一个开源的应用容器引擎，可以轻松打包、运行和发布任意数量的应用容器，Docker将应用程序与该程序的依赖，库文件和配置文件打包在一起。通过镜像文件这一方式，用户可以在同一个环境中运行不同版本或者不同的程序，而无需担心运行环境问题。
2.1.2 Cgroups
Cgroups（控制组）是Linux内核提供的一种机制，它允许管理员为任务（Process）限制、记录、隔离资源（如内存、CPU等）。通过设置Cgroups，可以限制、记录特定进程组或系统资源的使用情况。Cgroups能够提供精细化的资源控制能力，可用于部署复杂的多租户集群、服务级别的资源分配以及优先级调度。
2.1.3 Pod
Pod 是K8s上用于封装多个业务容器的最小单位，它包含一个或者多个容器、存储资源、网络资源以及一些属性和标签。Pod 的设计目标是用来自动化部署、扩展和管理容器化的应用。每个 Pod 中都包含一个或者多个容器，共享存储资源和网络资源。当容器需要扩展时，可以通过声明的资源限制来调整 Pod 的 CPU 和内存使用量；如果容器由于资源不足而无法启动或者 CrashLoopBackOff ，则 K8s 会重新调度 Pod 上的其他容器。
2.1.4 Kubernetes
Kubernetes (K8s) 是 Google 在2014年提出的基于云平台的开源容器集群管理系统。它提供了简单易用的自动化装备、弹性伸缩以及自我修复机制，能够管理超过万个节点的集群，并提供丰富的API以支持其它的容器集群管理框架。它支持单一职责的工作负载，以及跨越主机的多样化工作负载，如批处理作业和分布式数据分析。
2.1.5 Open Policy Agent(OPA)
Open Policy Agent(OPA) 是 CNCF 基金会下的项目，它是一个高性能策略引擎，旨在让开发者和组织能轻松制定复杂的访问控制和决策逻辑。其功能围绕着规则定义、查询语言、数据模型和数据抽象四个主要方面。OPA 可以集成到各种工具和流程中，包括CI/CD系统、Webhooks、API网关、微服务架构以及基础设施即代码(IaC)工具，并且已经成为 Cloud Native Computing Foundation (CNCF) 成员。
2.1.6 SELinux
SELinux (Security-Enhanced Linux) 是一款为强化 Linux 操作系统的安全系统，它是美国国家安全局(NSA)在Linux发行版中开发的，其目的是为了增强系统的安全性。目前，SELinux已被广泛地应用于许多 Linux 发行版，包括 Red Hat、CentOS、Ubuntu等。在部署了SELinux之后，系统将会进行更加严格的权限控制，限制用户的操作范围，从而确保系统的安全。
2.2 核心技术原理
2.2.1 Linux Namespace技术
Linux Namespace 机制，又称命名空间，它是 Linux 操作系统中的一个功能，它提供了一种独立的、有层次的文件系统与网络堆栈，使得系统可以有多个互相孤立但又彼此影响的独立容器（Namespace）。Namespace 主要用于解决进程间的资源隔离问题，通过将进程所属的资源划分到各个不同的命名空间中，就可以有效地避免各个进程之间的干扰，从而达到进程隔离的目的。Linux Namespace 提供了五种命名空间：
- UTS (UNIX Timesharing System) 命名空间：独立出 hostname 和 domainname，相互之间不会影响。
- MNT (Mount) 命名空间：独立出文件系统树，相互之间不会影响。
- PID (Process Isolation) 命名空间：独立出进程列表，相互之间不会影响。
- USER (User Isolation) 命名空间：独立出用户和用户组，相互之间不会影响。
- NET (Network Isolation) 命名空间：独立出网络设备、网络栈、端口等，相互之间不会影响。
2.2.2 AppArmor 机制
AppArmor（Applicaton Armor）是一个 Linux 内核模块，它可用于控制应用在宿主机系统上的行为，防止恶意程序对系统的攻击和破坏。AppArmor 可通过配置文件来定义规则，这些规则将被加载到内核，当进程被启动时，就会根据配置项做相应的限制。AppArmor 有多种访问控制模式：
- 执行权限控制：只能执行指定的程序。
- 文件读写控制：只能读取或写入指定的文件。
- 内存访问控制：只能访问指定地址的内存区域。
- 网络访问控制：只允许指定 IP 或域名访问指定端口。
- capability 控制：只允许特定的 linux capabilities 操作。
AppArmor 是一个开放源码的项目，源代码已经由 FSF 托管。AppArmor 可作为一个安全模块集成到 Linux 内核，因此无须再额外安装，直接在系统启动的时候启用即可。AppArmor 可对容器、虚拟机甚至普通进程进行保护，但同时也存在一定的性能损耗。
2.2.3 Container Runtime
容器运行时（Container runtime）是指能够让容器技术真正落地的软件。容器运行时通常包括 Docker、containerd、crio、rkt、kubernetes 等，它们分别对应着不同的容器技术。Docker 项目推出了 Docker 引擎，它的角色就是管理容器。
对于传统虚拟机技术来说，容器技术的出现主要是为了简化部署，降低资源消耗和提升效率。传统虚拟机技术需要创建一个完整的操作系统，然后才能运行应用。但容器技术不需要模拟整个操作系统，仅仅需要隔离应用进程，从而实现资源利用率的最大化。容器技术的另一个重要特征是“一次构建，随处运行”，这意味着开发者可以创建容器镜像，无论是在笔记本上还是在服务器上，都可以运行相同的容器。
2.2.4 容器安全技术
2.2.4.1 基于主机的防御
传统的防御手段是采用硬件（比如加固硬盘、设置审计日志等）和网络隔离措施来阻止未授权的访问。但是这种防御手段往往比较静态，并且难以应对动态变化的威胁。另外，云计算服务厂商也在不断提升安全防范水平，比如 AWS 的 Trusted Advisor 服务，以及 Azure 的 Defender 服务等。
基于主机的防御，通过修改操作系统内核，增加新的安全策略，来抵御针对容器技术的攻击。其中最著名的例子就是 Google 的 Brian Gough 所提出的，通过基于主机的隔离手段 Docker 提供了一种更安全的解决方案。在容器技术出现之前，虚拟机技术就已经存在着硬件隔离的缺陷，如果主机被外部恶意攻击，则虚拟机也容易遭受攻击。
2.2.4.2 白名单制防御
白名单制防御是基于白名单（Allow List）机制，设定一系列合法的、经过测试的容器镜像，只有这些镜像才允许运行，其它所有镜像都禁止运行。这有助于减少运行环境可能受到的攻击面，保障容器运行时的稳定性。
白名单制防御的缺陷在于每新增一条白名单规则，就需要花费一定时间验证规则是否有效。另外，白名单机制往往与特权模式配合使用，因此可能会造成过大的安全风险。
2.2.4.3 深度防御
深度防御（Defense in Depth）是一种反复迭代、逐步升级的安全策略。深度防御策略往往通过多种安全技术组合实现，包括容器引擎、容器编排工具、操作系统、主机、应用和网络等多个方面。每一步的改进都始终保持前后兼容，并且难以被检测到。深度防御能够应对复杂的攻击，能够更快的发现和响应攻击，为攻击者提供高可用性的服务。
2.2.4.4 使用加密传输
加密传输是为了保证数据的机密性、完整性和不可篡改性，通过各种安全加密协议（比如 HTTPS、TLS、SSH 等）加密传输数据。加密传输能够抵御中间人攻击、监听以及中间人获取数据的企图。另外，容器网络默认使用加密传输协议，因此任何未加密的数据都无法被看到。
2.2.4.5 不运行未知的二进制程序
运行未知的二进制程序往往会带来风险，因此容器平台必须进行二进制程序的签名校验，只有经过授权的程序才能运行。签名校验还能够阻止恶意代码对容器平台的攻击。
2.2.4.6 应用层加固
应用层加固（Application Defenses）是在运行时阶段对应用程序本身进行防护，主要包括脚本过滤、字节码混淆、沙箱隔离等方法。通过对输入输出流的劫持，实现对敏感数据的保护。应用层加固能够减少恶意程序对容器平台的攻击，提升容器平台的整体安全性。
2.2.4.7 网络层防御
容器平台内部的通信需要通过网络，而网络层安全（Network Security）方面的防御尤为重要。网络层安全防御包括 IPSec、VPN 以及 Firewall 等技术。IPSec 是一种基于 IP 协议的数据加密技术，可以加密容器之间的流量。VPN 是建立专用通道，实现容器之间的加密通信。Firewall 能够阻止未授权的入站和出站流量。
除了网络层的防御外，容器平台还需要考虑主机级的防御，比如主机隔离、主机跟踪和主机持久性等。主机隔离可以帮助阻止恶意程序对主机的攻击，主机跟踪可以识别出系统的异常行为。主机持久性可以实现对恶意文件的恢复，并提供可靠的系统备份。
2.2.4.8 数据中心隔离
数据中心隔离（Data Center Isolation）是云计算领域的一个重要议题。云厂商为了降低成本、提升安全性，会在多个物理数据中心之间部署多个数据中心，这样就形成了一个异构的网络环境。为了保障云计算服务的安全性，云厂商会将数据中心进行隔离。
数据中心隔离的方法有多种，包括二层网络隔离、三层网络隔离、网络虚拟化、边界路由器隔离以及服务器隔离等。二层网络隔离是最常用的一种隔离方法，通过 VLAN 技术将数据中心的网络分割成多个子网，然后再将容器平台部署到不同的子网中。三层网络隔离可以将不同类型的流量分别隔离，提升网络隔离的效果。网络虚拟化技术可以使用软件或硬件的方式实现网络隔离，边界路由器隔离可以将容器平台部署到边界路由器上。最后，服务器隔离是一种硬件隔离技术，通过服务器架设在不同的物理机上，实现服务器和容器平台的隔离。
总的来说，容器安全的实现方式可以从两个维度去考虑，一是基于主机的防御，二是应用层防御。基于主机的防御可以从操作系统内核，以及容器引擎，甚至是云服务提供商来实现。应用层防御则可以在运行时，甚至是部署时，对应用程序进行防护。