保障K8s部署中的安全性

开发人员需要了解如何在容器化应用程序中嵌入控件，以及如何启用运行时保护机制以阻止黑客访问容器化系统。

Kubernetes是当前流行和常用的容器编排工具之一。Kubernetes工作负载就像简单的nginx服务器或cron作业一样执行的应用程序。Kubernetes部署成为了一种最常用的工作负载，因为它可以轻松更新、扩展和管理。

最近发布的Kubernetes Hardening指南是一个很好的资源，它提供了有关如何有效保护Kubernetes的指导。该指南提供的信息清楚地表明，保护和强化Kubernetes不仅是Kubernetes管理员的工作，也是在集群上部署工作负载的开发人员的工作。

本文讨论部署Kubernetes工作负载的开发人员如何通过应用“Kubernetes强化指南”提供的一些指南来引导安全性。

这是一个实用的指南，将采用一个简单的Dockerfile，然后逐步添加安全优秀实践来创建模板部署清单文件，开发人员可以快速重用该文件。

先决条件

Docker是必需的，因为将从头开始构建。

像minikube这样的单节点Kubernetes集群应该遵循这一指南以及kubectl实用程序。开发人员可以使用官方minikube文档在其环境中进行设置。

使用由与WSL2绑定的Docker Desktop创建的独立集群作为后端。

本指南假设有一个可通过kubectl实用程序访问的正在运行的集群，如下面的代码所示。

Shell
git clone git@github.com:salecharohit/bootstrapsecurityinkubernetesdeployment.git
cd springbootmaven
docker build . -f Dockerfile.basic -t springbootmaven
docker run --name springboot -d -p 8080:8080 springbootmaven
curl http://localhost:8080

Expected Response:

Hello World From Spring Boot Build Using Maven on Alpine OS!

安全部署

保护Kubernetes工作负载可以有效地划分为“构建时”的安全性和“运行时”的安全性。为了运行这些示例，将使用这个简单的Spring Boot Hello World应用程序并将其部署在Kubernetes中，并应用构建时安全性和运行时安全性。相关网址如下： https://github.com/salecharohit/bootstrapsecurityinkubernetesdeployment

而在开始之前，先要克隆这个存储库，构建Docker容器，并在本地运行应用程序。

构建时的安全性

构建时的安全性更多地关注如何以减少的占用空间构建底层容器，并编程以尽可能少的权限执行。

以下将使用问题的解决方法讨论这两种方法：

(1)减少攻击面

在容器中构建应用程序时，主要目标是让应用程序在不考虑运行环境的情况下始终独立运行，无论其运行环境是数据中心、云平台还是内部部署设施。然而，在构建这些应用程序时有一条不成文的规则：它应该是一个独立的应用程序，并且没有很多依赖项。

以SpringBoot应用程序为例。这个应用程序运行的唯一依赖是它需要一个JVM或Java运行时。任何其他在容器中的东西实际上都是无用的。

例如，在基于AlpineOS构建的SpringBoot容器中，没有任何特定需要安装apk包管理器。

Shell  
docker exec -it springboot /bin/sh
apk add curl

因此，可以尝试删除apk二进制文件并重建或Docker映像。

此时将使用Dockerfile.asr来重建Docker容器，其共享如下：

Dockerfile  
FROM maven:3.8.1-openjdk-17-slim AS MAVEN_BUILD
WORKDIR /build/
COPY pom.xml /build/
COPY src /build/src/
RUN mvn package

FROM openjdk:17-alpine

RUN rm -f /sbin/apk && \
rm -rf /etc/apk && \
rm -rf /lib/apk && \
rm -rf /usr/share/apk && \
rm -rf rm -rf /var/lib/apk

COPY --from=MAVEN_BUILD /build/target/springbootmaven.jar /springbootmaven.jar
EXPOSE 8080
CMD java -jar /springbootmaven.jar

在此重建并重新运行：

Shell  
# First let's stop the previously running container
docker stop springboot  
# Next let's re-build and re-run
docker build . -f Dockerfile.asr -t springbootmaven  
docker run --name springboot -p 8080:8080 springbootmaven  
docker run --name springboot -d -p 8080:8080 springbootmaven  
curl http://localhost:8080

现在尝试再次运行apk add curl命令。

Shell  
docker exec -it springboot /bin/sh  
apk add curl

因此成功摆脱了apk依赖，并且应用程序运行成功！

下面是一些专门为强化Alpine OS编写的优秀脚本。根据编程语言进行挑选，并相应地强化基本alpine图像。以下是一些参考的网址：

https://gist.github.com/kost/017e95aa24f454f77a37 https://github.com/ironpeakservices/iron-alpine/blob/master/Dockerfile 另一方面，还可以查看由谷歌公司创建的distroless容器，这也是非常值得推荐的。

https://github.com/GoogleContainerTools/distroless/tree/main/examples

(2)切换用户场景

有人可能会争辩说，如果网络攻击者在容器内获得RCE，他们可能无法安装curl、wget等包来建立持久性。

但是，仍然以“root”用户身份运行，从技术上讲，仍然可以重新安装apk。

在此重新运行Docker容器并检查它当前运行的权限。

Shell  
docker exec -it springboot /bin/sh  
whoami  
ping rohitsalecha.com

因此，重要的是不要以root身份运行容器，而是以只有有限权限的用户身份运行容器。

Dockerfile.lpr显示了添加更多命令，这些命令添加了一个名为“boot”的用户和组，并为其分配一个工作目录(这是它的主目录)。还为用户和组分配了数值，以下将在Pod安全场景部分详细讨论。

Dockerfile  
FROM maven:3.8.1-openjdk-17-slim AS MAVEN_BUILD
WORKDIR /build/
COPY pom.xml /build/
COPY src /build/src/
RUN mvn package

FROM openjdk:17-alpine

# Removing apk package manager
RUN rm -f /sbin/apk && \
rm -rf /etc/apk && \
rm -rf /lib/apk && \
rm -rf /usr/share/apk && \
rm -rf rm -rf /var/lib/apk

# Adding a user and group called "boot"
RUN addgroup boot -g 1337 && \  
adduser -D -h /home/boot -u 1337 -s /bin/ash boot -G boot

# Changing the context that shall run the below commands with User "boot" instead of root
USER boot
WORKDIR /home/boot

# By default even in a non-root context, Docker copies the file as root. Hence its best practice to chown
# the files being copied as the user. https://stackoverflow.com/a/44766666/1679541
COPY --chown=boot:boot --from=MAVEN_BUILD /build/target/springbootmaven.jar /home/boot/springbootmaven.jar
EXPOSE 8080
CMD java -jar /home/boot/springbootmaven.jar

重建并重新运行：

# First let's stop the previously running container
docker stop springboot  
# Next let's re-build and re-run
docker build . -f Dockerfile.lpr -t springbootmaven docker run --name springboot -d -p 8080:8080 springbootmaven curl http://localhost:8080

现在尝试运行whoami命令，并检查现在正在运行哪个容器的哪些权限。

Shell  
docker exec -it springboot /bin/sh  
whoami  
ping rohitsalecha.com

运行时的安全性

现在人们对构建时安全性有了很大的信心，其中已经学会了删除包并更新用户场景，以使用有限的权限运行容器。这些安全特性是在构建Docker容器时应用的;但是，还需要关注容器在Kubernetes环境中运行时的安全状况，这将在下面进行探讨。

在开始保护Kubernetes部署之前，首先将Docker容器推送到hub.docker.com，在Kubernetes集群上运行的应用程序。可以使用这一指南开始相同的操作。

Shell  
docker build . -f Dockerfile.lpr -t springbootmaven
docker tag springbootmaven salecharohit/springbootmaven
docker push salecharohit/springbootmaven
docker run -d -p 8080:8080 --name springboot salecharohit/springbootmaven
curl http://localhost:8080

现在Docker镜像已经准备好了，应用kubernetes-basic.yaml文件来部署这个应用程序以及一个可以帮助连接到它的服务。

YAML  
# Create Namespace
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
name: boot

---
# Create SpringBoot Deployment
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
labels:
app: springbootmaven
name: springbootmaven
namespace: boot
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
app: springbootmaven
template:
metadata:
labels:
app: springbootmaven
spec:
containers:
- image: salecharohit/springbootmaven
name: springbootmaven
ports:
- containerPort: 8080

---
# Create Service for SpringBoot Deployment
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
labels:
app: springbootmaven
name: springbootmaven
namespace: boot
spec:
ports:
- name: "http"
port: 8080
targetPort: 8080
selector:
app: springbootmaven

如果Pod需要与Kubernetes API-Server通信，则需要服务帐户令牌进行身份验证。

Shell  
kubectl apply -f kubernetes-basic.yaml  
kubectl get deploy -n boot
# Run a temporary container that will only curl our bootservice
kubectl run -it testpod --image=radial/busyboxplus:curl --restart=Never --rm -- curl http://springbootmaven.boot.svc.cluster.local:8080  

Expected Output:  
Hello World From Spring Boot Build Using Maven on Alpine OS!pod "testpod" deleted

(1)服务帐户令牌

如果Pod需要与Kubernetes API服务器通信，则需要服务帐户令牌进行身份验证。

在默认情况下，每个Pod都会分配一个服务帐户令牌，该令牌安装在/var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token上。可以通过部署SpringBoot应用程序在实践中查看这一点。

Shell  
kubectl get pods -n boot
kubectl exec -it springbootmaven-7d7c5c8597-mndv9 -n boot -- /bin/sh
TOKEN=$(cat /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token)
curl -k -H "Authorization:Bearer $TOKEN" https://kubernetes.docker.internal:6443/version

应用程序上的RCE漏洞可以将此访问令牌泄露给网络攻击者，他们可以滥用该令牌来读写同一命名空间中的资源，甚至具有全局读取权限。

解决这一问题有两个解决方案，具体取决于具体情况：一是Pod不需要访问API-Server。 二是Pod需要访问API-Server。

不需要访问API-Server的Pod

这种情况很容易解决，只需在Kubernetes清单文件中添加两行，如下所示：

YAML  
1 serviceAccountName: ""
2 automountServiceAccountToken: false

完整的部署文件kubernetes-nosa.yaml如下：

YAML  
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
labels:
app: springbootmaven
name: springbootmaven
namespace: boot
spec:
eplicas: 1
selector:
matchLabels:
app: springbootmaven
template:
metadata:
labels:
app: springbootmaven
spec:
containers:
image: salecharohit/springbootmaven
name: springbootmaven
ports:
- containerPort: 8080
serviceAccountName: ""
automountServiceAccountToken: false  

然后检查服务帐户令牌现在是否已安装。

Shell  
# Ensure our previous deploy is deleted.  
kubectl delete ns boot

# Apply with no service account token
kubectl apply -f kubernetes-nosa.yaml
kubectl get pods -n boot
kubectl exec -it springbootmaven-5568b9874f-8nml8 -n boot -- /bin/sh
cat /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token

如上所示，不再挂载默认服务帐户令牌。

需要访问API-Server的Pod

在这种情况下，需要创建将ServiceAccount映射到角色的ServiceAccount、Role和RoleBinding。以下是Kubernetes清单：

为特定命名空间(即boot)创建一个名为bootserviceaccount的ServiceAccount。

创建一个名为bootservicerole的角色，该角色只有查看正在运行的Pod的权限。

创建一个名为bootservicerolebinding的RoleBinding。

挂载ServiceAccount，从而在部署中使用以下几行进行创建。

YAML  
---
spec:
containers:
- image: salecharohit/springbootmaven
name: springbootmaven
ports:
- containerPort: 8080
serviceAccountName: bootserviceaccount
---

这将允许仅读取“boot”命名空间中的Pod。

完整的部署文件kubernetes-withsa.yaml如下：

YAML  
# Create Namespace
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
name: boot

---
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
name: bootserviceaccount
namespace: boot

---
kind: Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
name: bootservicerole
namespace: boot
rules:
- apiGroups: [""]
resources: ["pods"]
verbs: ["get", "list", "watch"]

---
kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
name: bootservicerolebinding
namespace: boot
subjects:
- kind: ServiceAccount
name: bootserviceaccount
namespace: boot
roleRef:
kind: Role
name: bootservicerole
apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

---
# Create SpringBoot Deployment
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
labels:
app: springbootmaven
name: springbootmaven
namespace: boot
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
app: springbootmaven
template:
metadata:
labels:
app: springbootmaven
spec:
containers:
- image: salecharohit/springbootmaven
name: springbootmaven
ports:
- containerPort: 8080
serviceAccountName: bootserviceaccount

---
# Create Service for SpringBoot Deployment
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
labels:
app: springbootmaven
name: springbootmaven
namespace: boot
spec:
ports:
- name: "http"
port: 8080
targetPort: 8080
selector:
app: springbootmaven

现在运行并检查的应用程序是否运行良好。

# Ensure our previous deploy is deleted.  
kubectl delete ns boot  
kubectl apply -f kubernetes-withsa.yaml  
kubectl run -it testpod --image=radial/busyboxplus:curl --restart=Never --rm -- curl http://springbootmaven.boot.svc.cluster.local:8080

#确保删除以前的部署。

(2)Pod的安全场景

尽管已将基本Docker映像配置为以非root权限运行，但仍需要添加少量配置作为安全优秀实践。因此需要：

①限制容器和Pod的能力。

②禁用权限提升。

③将容器配置为使用先前在Dockerfile.lpr中创建的特定uid/gid运行。

在Kubernetes清单文件中，定义了两种类型的“安全场景(SecurityContexts)”。

在Pod级别运行，这将应用到在这个Pod中运行的所有容器

YAML  
---
securityContext:
fsGroup: 1337
runAsNonRoot: true
runAsUser: 1337
containers:
---

在容器级别运行

YAML  
---
securityContext:
allowPrivilegeEscalation: false
privileged: false
runAsUser: 1337
capabilities:
drop: ["SETUID", "SETGID"]
serviceAccountName: ""
automountServiceAccountToken: false
---

嵌入PodSecurity场景的完整部署文件kubernetes-ps.yaml如下：

YAML  
# Create Namespace
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
name: boot
---
# Create SpringBoot Deployment
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
labels:
app: springbootmaven
name: springbootmaven
namespace: boot
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
app: springbootmaven
template:
metadata:
labels:
app: springbootmaven
spec:
securityContext:
fsGroup: 1337
runAsNonRoot: true
runAsUser: 1337
containers:
- image: salecharohit/springbootmaven
name: springbootmaven
ports:
- containerPort: 8080
securityContext:
allowPrivilegeEscalation: false
privileged: false
runAsUser: 1337
capabilities:
drop: ["SETUID", "SETGID"]
erviceAccountName: ""
automountServiceAccountToken: false
---
# Create Service for SpringBoot Deployment
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
labels:
app: springbootmaven
name: springbootmaven
namespace: boot
spec:
ports:
- name: "http"
port: 8080
targetPort: 8080
selector:
app: springbootmaven

运行并测试应用程序是否正在运行。

Shell  
# Ensure our previous apply is deleted
kubectl delete ns boot  
kubectl apply -f kubernetes-ps.yaml  
kubectl run -it testpod --image=radial/busyboxplus:curl --restart=Never --rm -- curl http://springbootmaven.boot.svc.cluster.local:8080  
kubectl get pods -n boot  
kubectl exec -it springbootmaven-56c64ff85-mqz2z -n boot -- /bin/sh  
whoami  
id  
ping google.com

开发人员可以根据自己的需求删除更多功能。

AppArmor或SecComp等功能需要控制平面组件的附加配置。因此，我的讨论仅限于开箱即用的功能，这些功能可以轻松激活并确保良好的安全保证水平。

(3)不可变文件系统

在容器化环境中运行的应用程序很少写入数据，因为这实际上违背了拥有不可变系统的逻辑。但是，有时可能需要它来缓存或临时交换/处理文件。因此，为了向开发人员提供此功能，可以将emptyDir装载为临时卷，一旦容器被终止，该临时卷就会丢失。

有了它，还可以添加另一个名为“readOnlyRootFilesystem”的安全场景属性，并将其设置为true，因为在容器中运行的应用程序不再需要在文件系统上除“tmp”目录以外的任何位置写入。

可以按如下所示配置上述要求。

YAML  
---
containers:
- image: salecharohit/springbootmaven
name: springbootmaven
ports:
- containerPort: 8080
securityContext:
readOnlyRootFilesystem: true
volumeMounts:
- mountPath: /tmp
name: tmp
volumes:
- emptyDir: {}
name: tmp
---

完整的部署文件kubernetes-rofs.yaml如下面的代码所示：

YAML  
# Create Namespace
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
name: boot
---
# Create SpringBoot Deployment
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
labels:
app: springbootmaven
name: springbootmaven
namespace: boot
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
app: springbootmaven
template:
metadata:
labels:
app: springbootmaven
spec:
securityContext:
fsGroup: 1337
runAsNonRoot: true
runAsUser: 1337
containers:
- image: salecharohit/springbootmaven
name: springbootmaven
ports:
- containerPort: 8080
securityContext:
allowPrivilegeEscalation: false
readOnlyRootFilesystem: true
privileged: false
runAsUser: 1337
capabilities:
drop: ["SETUID", "SETGID"]
volumeMounts:
- mountPath: /tmp
name: tmp
serviceAccountName: ""
automountServiceAccountToken: false
volumes:
- emptyDir: {}
name: tmp

---
# Create Service for SpringBoot Deployment
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
labels:
app: springbootmaven
name: springbootmaven
namespace: boot
spec:
ports:
- name: "http"
port: 8080
targetPort: 8080
selector:
app: springbootmaven

开始应用并测试应用程序是否正在运行。

Shell  
# Ensure our previous apply is deleted
kubectl delete ns boot  
kubectl apply -f kubernetes-rofs.yaml  
kubectl run -it testpod --image=radial/busyboxplus:curl --restart=Never --rm -- curl http://springbootmaven.boot.svc.cluster.local:8080  
kubectl get pods -n boot  
kubectl exec -it springbootmaven-56c64ff85-mqz2z -n boot -- /bin/sh
pwd
touch test.txt

结论

如今已经了解了可以在容器化应用程序中嵌入哪些不同的控件，还了解了如何启用运行时保护机制，这些机制可以使网络攻击者难以在容器化系统中站稳脚跟。

kubernetes-rofs.yaml可以作为一个很好的模板，供开发人员在kubernetes环境中部署时使用默认的安全功能对其应用程序进行容器化。

当然，企业需要为特定的应用程序创建Dockerfile。

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