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玄貓（BlackCat）

Kubernetes 安全與可觀測性最佳實踐

本文探討 Kubernetes 安全與可觀測性的最佳實踐，涵蓋基礎設施安全、網路安全、容器映像檔安全、佈署安全控制、日誌記錄與監控、分散式追蹤、網路加密、入侵檢測等導向，並提供實務操作與工具建議，協助提升 Kubernetes 環境的安全性與穩定性。

容器技術 系統安全
Kubernetes 安全 可觀測性 容器安全 網路安全 RBAC

Kubernetes 已成為容器協調的事實標準，其安全性和可觀測性對於系統穩定至關重要。本文探討如何強化 Kubernetes 基礎設施、網路和容器映像檔安全，並實施有效的佈署安全控制。同時，文章也涵蓋了日誌記錄、監控、分散式追蹤等可觀測性最佳實踐，以及網路加密和入侵檢測等進階安全防護措施。此外，文章也提供了一些常用的工具和技術，例如網路策略、安全上下文、Prometheus、Grafana 等，以協助工程師更好地管理和保護 Kubernetes 環境。

Kubernetes 安全與可觀測性：不可或缺的旅程

在現代應用程式佈署中，Kubernetes 已經成為最廣泛採用的容器協調引擎。它不僅被用於公有雲環境，也被廣泛應用於本地佈署。Kubernetes 的宣告式特性使得使用者能夠指定應用程式佈署的結果，如擴充套件、規格和存取許可權等。系統會持續監控佈署狀態，並採取糾正措施以確保佈署按照預期執行。

Kubernetes 的獨特特徵

Kubernetes 透過抽象化網路、IP 位址等底層細節，允許使用者使用更高層次的建構（如標籤）來定義身份。這種抽象化使得 Kubernetes 在可觀測性和安全性方面需要不同的實作方法。

開發流程的變革

在傳統的開發模式中，開發團隊會構建應用程式並將其佈署在預先組態的基礎設施上。而在現代雲端環境中，佈署應用程式之前，首先需要組態所需的基礎設施（如主機、虛擬機器等）。基礎設施是動態的，並且會根據應用程式的需求進行調整。

應用程式生命週期

在 Kubernetes 環境中，應用程式的生命週期包括以下幾個階段：

  1. 建構階段：建立應用程式所需的資源。
  2. 佈署階段：使用 Kubernetes 佈署應用程式。
  3. 執行階段：應用程式佈署後的執行狀態。

跨團隊協作

為了成功佈署和營運應用程式，需要多個團隊的協作，包括維運團隊、平台團隊、網路團隊、安全團隊和合規團隊。在設計有效的安全和可觀測性策略時，需要考慮所有這些階段。

Kubernetes 安全與可觀測性的最佳實踐

為了確保 Kubernetes 佈署的安全和可觀測性，以下是一些最佳實踐：

  1. 映象掃描：在佈署前掃描所有映象以查詢已知漏洞，並在佈署後定期掃描新發現的漏洞。

  2. 最小化基礎 OS 元件：使用最小化的基礎作業系統元件（如無發行版或 scratch 映象）來構建容器映象。

  3. 不可變的主機作業系統：使用不可變的 Linux 發行版作為主機作業系統，以減少攻擊面。

  4. 存取控制：組態主機 OS 和 pod 以僅允許必要的存取（如系統呼叫、檔案系統存取）。

  5. Kubernetes 叢集強化：加密 secret、保護對 API 伺服器和資料儲存的存取，以強化 Kubernetes 叢集佈署。

  6. RBAC 和准入控制器：使用 RBAC 和准入控制器來實施政策，以控制工作負載的佈署。

  7. 服務存取安全：使用安全最佳實踐來暴露叢集內服務對外部客戶端的存取。

  8. 周邊安全裝置整合：將 Kubernetes 叢集與周邊安全裝置（如防火牆或閘道器）整合，以使裝置能夠對來自叢集的流量進行可見性控制。

  9. 網路流量和應用流量控制：使用 L3/L7 策略實施網路流量和應用流量的存取控制。

  10. 原生於 Kubernetes 的工具：使用原生於 Kubernetes 的工具來實施可觀測性，例如，能夠識別支援服務或佈署的 pod 是相同的，並將其視為一個單元來觀察服務。

  11. 機器學習和異常檢測：實施機器學習來基線叢集中各個實體的行為，並在其上構建異常檢測系統，以檢測安全事件。

  12. 威脅防禦：在叢集中實施威脅防禦功能，如 IDS、IPS 和先進的威脅檢測技術，以檢測叢集內的惡意活動。

  13. 資料傳輸加密：為叢集內部以及與外部實體之間的通訊實施資料傳輸加密。

結語

在實施 Kubernetes 安全和可觀測性時，需要考慮到其獨特的特性和需求。透過遵循上述最佳實踐，可以有效地保護 Kubernetes 叢集及其工作負載。祝您在 Kubernetes 旅程中一切順利！

內容解密：

上述文章主要闡述了在現代雲端環境中使用 Kubernetes 時，如何確保其安全性和可觀測性。首先，文章強調了 Kubernetes 的宣告式特性和動態基礎設施管理對安全性和可觀測性提出了新的挑戰。接著，文章詳細介紹了跨團隊協作在確保 Kubernetes 佈署安全中的重要性。最後，文章提供了一系列最佳實踐，以幫助使用者有效地保護其 Kubernetes 叢集和工作負載。這些最佳實踐涵蓋了從映象掃描、最小化基礎 OS 元件到威脅防禦和資料傳輸加密等多個方面。

Kubernetes 安全與可觀察性

叢集安全強化

叢集安全是確保 Kubernetes 環境穩定的關鍵因素。強化叢集安全需要從多個層面著手，包括 API 伺服器安全、資料儲存安全、網路安全等。

API 伺服器安全

Kubernetes 的 API 伺服器是整個叢集的核心，負責處理所有對叢集的請求。因此，確保 API 伺服器的安全至關重要。

# 啟用 API 伺服器身份驗證
apiVersion: apiserver.config.k8s.io/v1
kind: APIServerConfig
authentication:
  anonymous:
    enabled: false

資料儲存安全

etcd 是 Kubernetes 的資料儲存元件，儲存了叢集的所有狀態資訊。確保 etcd 的安全對於叢集的安全至關重要。

# 啟用 etcd 加密
etcd --encryption-provider-config=/etc/kubernetes/encryption-config.yaml

網路安全

網路安全是 Kubernetes 叢集安全的另一個重要方面。透過網路政策（Network Policies）可以控制 Pod 之間的流量。

# 定義網路政策
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-all-traffic
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress

#### 內容解密：

此網路政策定義了一個預設的拒絕所有流量的規則，確保只有被明確允許的流量才能透過。這種方式可以有效防止未經授權的存取。

可觀察性

可觀察性是瞭解 Kubernetes 叢集執行狀態的關鍵。可觀察性包括監控、日誌收集和追蹤等。

監控

監控是可觀察性的基礎。透過監控，可以實時瞭解叢集的執行狀態。

# 組態 Prometheus 監控
apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
kind: ServiceMonitor
metadata:
  name: example-monitor
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: example-app
  endpoints:
  - port: metrics

#### 內容解密：

此 ServiceMonitor 組態定義瞭如何監控標籤為 app: example-app 的服務。它指定了監控的端點和埠，確保 Prometheus 可以正確抓取指標資料。

日誌收集

日誌收集是可觀察性的另一個重要方面。透過收集和分析日誌，可以瞭解叢集的執行狀況和排查問題。

# 組態 Fluentd 日誌收集
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: fluentd-config
data:
  fluent.conf: |
    <source>
      @type tail
      path /var/log/containers/*.log
      tag kubernetes.*
    </source>

#### 內容解密：

此 Fluentd 組態定義瞭如何從容器日誌檔案中收集日誌。它指定了日誌檔案的路徑和標籤，確保日誌可以被正確收集和處理。

安全最佳實踐

在 Kubernetes 環境中，有一些最佳實踐可以幫助提高安全性。

最小化攻擊面

最小化攻擊面是提高安全性的有效方法。透過減少不必要的元件和介面，可以降低被攻擊的風險。

使用網路政策

網路政策可以控制 Pod 之間的流量，確保只有被授權的流量才能透過。

定期更新和修補

定期更新和修補 Kubernetes 和其元件，可以修復已知的安全漏洞，提高安全性。

Kubernetes 安全防護與可觀測性實踐

叢集強化與基礎設施安全

基礎設施安全是保護 Kubernetes 叢集的基礎，主要涵蓋叢集強化、主機強化和管理服務安全。

叢集強化關鍵實踐

  1. API 伺服器安全

    • 實施嚴格的認證和 RBAC 授權機制
    • 啟用稽核日誌記錄功能
    • 使用憑證輪換機制增強安全性

  2. 資料儲存安全

    • 確保 etcd 資料加密儲存
    • 實施安全的金鑰管理服務（KMS）

  3. 網路安全

    • 佈署網路策略（Network Policies）控制流量
    • 使用根據主機的防火牆增強防護

主機強化最佳實踐

  1. 使用不可變基礎設施

    • 採用 Flatcar Container Linux 等不可變發行版
    • 移除非必要程式和服務

  2. 遵循安全基準

    • 實施 CIS Benchmarks 安全組態
    • 定期進行安全掃描和稽核

佈署階段的安全控制

佈署階段的安全控制至關重要，涵蓋了從映像檔建置到佈署的全過程。

容器映像檔安全

  1. 最小化基礎映像檔

    • 使用精簡基礎映像檔（distroless images）
    • 多階段建置最佳化映像檔大小

  2. 映像檔掃描

    • 整合 CI/CD 流程進行自動化掃描
    • 使用開放原始碼工具進行漏洞檢測

佈署安全控制

  1. 認證與授權

    • 實施強認證機制
    • 組態精細的 RBAC 策略

  2. 組織政策

    • 建立統一的安全政策
    • 管理敏感資訊和憑證

可觀測性與監控

可觀測性是確保系統安全和穩定的關鍵，涵蓋日誌記錄、監控和分散式追蹤等導向。

日誌記錄與監控實踐

  1. 日誌管理

    • 使用 Fluentd 等工具收集日誌
    • 整合日誌處理引擎進行分析

  2. 異常檢測

    • 利用機器學習技術檢測異常行為
    • 設定告警機制及時回應

分散式追蹤實施

  1. 分散式系統監控

    • 使用 eBPF 和 kprobes 技術
    • 實作交易請求標頭的檢測

  2. 服務圖譜視覺化

    • 建立服務拓撲圖
    • 分析服務間的依賴關係

網路安全防護

網路安全是 Kubernetes 安全的重要組成部分，涵蓋了網路加密、網路策略和入侵檢測等多個方面。

資料傳輸加密

  1. 網路層加密

    • 使用 IPsec 等技術實作網路層加密
    • 採用強大的金鑰交換協定（IKE）

  2. 應用層加密

    • 使用 HTTPS 加密 HTTP 通訊
    • 在服務網格中實施 mTLS

網路策略實施

  1. 預設拒絕策略

    • 組態預設拒絕所有流量的網路策略
    • 按需開放必要的網路存取許可權

  2. 精細流量控制

    • 使用根據名稱空間的網路策略
    • 結合 FQDN 實作精細控制

入侵檢測與威脅防禦

入侵檢測和威脅防禦是 Kubernetes 安全防護的重要組成部分。

入侵檢測系統（IDS）實施

  1. 異常檢測

    • 利用機器學習技術檢測未知威脅
    • 分析網路流量模式識別潛在攻擊

  2. 威脅情報整合

    • 接入威脅情報饋送系統
    • 利用領域生成演算法（DGA）檢測惡意活動

安全營運中心（SOC）建設

  1. 告警管理

    • 使用 Datadog 或 Google Cloud Security Command Center
    • 建立自動化告警回應流程

  2. 事件回應

    • 建立完善的安全事件回應計畫
    • 定期進行演練和最佳化

網路架構最佳化設計原則

在設計 Kubernetes 網路架構時，必須考慮安全性、可擴充套件性和效能等導向。以下是一些最佳實踐：

網路分段與隔離

  1. 名稱空間隔離

    • 為不同的應用或團隊建立獨立的名稱空間
    • 在名稱空間層級實施網路策略

  2. 網路策略組態

    • 設定預設拒絕所有流量的網路策略
    • 按需開放必要的網路存取許可權
    • 使用標籤選擇器控制 Pod 之間的流量

負載平衡設計

  1. 服務暴露方式

    • 使用適當的服務型別（ClusterIP、NodePort、LoadBalancer）
    • 組態外部流量政策（externalTrafficPolicy）

  2. 負載平衡器最佳化

    • 利用 kube-proxy 或替代方案（如 Cilium）
    • 組態適當的負載平衡演算法

網路效能最佳化

  1. 網路堆積疊調優

    • 調整 Linux 網路堆積疊引數
    • 使用高效的網路外掛（如 Calico 或 Cilium）

  2. 流量管理

    • 利用服務網格（如 Istio）進行流量控制
    • 實施速率限制和斷路器模式
持續安全改進

  1. 定期安全稽核

    • 定期進行 Kubernetes CIS Benchmark 評估
    • 稽核叢集組態和工作負載安全性

  2. 持續整合/持續佈署（CI/CD）安全

    • 在 CI/CD 管道中整合安全掃描
    • 自動化容器映像檔漏洞掃描

組織級安全治理

  1. 建立安全文化

    • 推動開發、安全和維運團隊的協作
    • 提供定期的安全培訓

  2. 制定安全政策

    • 建立清晰的安全合規要求
    • 定義事件回應流程

透過遵循這些最佳實踐，可以顯著提升 Kubernetes 環境的安全性，為業務的穩定執行提供堅實保障。

Kubernetes 安全與可觀測性深度解析

Kubernetes 安全架構的重要性

Kubernetes 作為現代雲原生應用的根本，其安全架構設計直接關係到整個叢集的安全性。安全架構的核心在於建立多層次的防禦機制，從基礎設施到應用層都需要進行嚴格的安全控制。

1. 基礎設施安全

基礎設施安全是 Kubernetes 安全的根本，主要包括以下幾個方面：

  • 主機強化：透過移除不必要的程式和服務、組態防火牆規則等方式來加固主機安全。
  • 不可變基礎設施：採用不可變基礎設施架構，一旦佈署完成就不進行修改，以減少潛在的安全風險。
  • 託管 Kubernetes 服務：使用雲提供商的託管 Kubernetes 服務可以簡化安全管理，但也需要謹慎組態以避免安全漏洞。

2. 網路安全

網路安全是 Kubernetes 安全的重要組成部分，主要措施包括：

  • 網路策略：透過定義網路策略來控制 Pod 之間的流量，實作微隔離。
  • 網路層加密：使用網路層加密技術（如 mTLS）來保護資料在傳輸過程中的安全。
  • 負載平衡服務：合理組態負載平衡服務，確保外部流量安全地進入叢集。

可觀測性在 Kubernetes 中的應用

可觀測性是確保 Kubernetes 叢集安全執行的關鍵因素。透過可觀測性工具，可以實時監控叢集的執行狀態，及時發現並回應安全事件。

1. 日誌管理

日誌管理是可觀測性的重要組成部分，主要包括：

  • 日誌收集：使用 Fluentd 等工具收集叢集中的日誌資料。
  • 日誌分析：透過分析日誌資料來發現潛在的安全問題和異常行為。

2. 監控與告警

監控與告警機制可以幫助維運人員及時發現叢集中的異常情況，主要包括：

  • Prometheus 監控：使用 Prometheus 對叢集資源進行監控。
  • 機器學習告警：利用機器學習技術對監控資料進行分析，實作智慧告警。

3. 網路可觀測性

網路可觀測性對於理解叢集內部的網路流量至關重要，主要包括：

  • 網路流量日誌：收集並分析網路流量日誌，以瞭解流量模式和檢測異常。
  • 服務圖譜：透過服務圖譜視覺化服務之間的依賴關係和通訊模式。

Kubernetes 安全最佳實踐

為了確保 Kubernetes 叢集的安全，建議遵循以下最佳實踐：

  1. 實施網路策略：定義細粒度的網路策略，控制 Pod 之間的通訊。
  2. 使用加密：對敏感資料進行加密，並使用 mTLS 等技術保護資料在傳輸過程中的安全。
  3. 定期更新和修補：保持叢集和應用程式的更新，及時修補已知的安全漏洞。
  4. 加強身份驗證和授權：實施強大的身份驗證和授權機制，控制對叢集資源的存取。
  5. 監控和日誌記錄：建立全面的監控和日誌記錄機制，以便及時發現和回應安全事件。

綜上所述，Kubernetes 安全是一個多層次、多導向的問題，需要綜合運用各種技術和最佳實踐來確保叢集的安全。透過加強基礎設施安全、網路安全、可觀測性等方面的建設，可以有效地提升 Kubernetes 叢集的安全性。

Kubernetes 安全防禦深度解析

執行階段的安全監控

在 Kubernetes 的執行階段（Runtime Security），企業需要實施多層次的安全控制措施。這些措施包括：

  1. 網路安全控制

    • 使用網路政策（Network Policies）來限制 Pod 之間的流量
    • 透過防火牆規則來限制外部存取

  2. Pod 安全政策（PSPs）

    • 定義 Pod 的安全上下文（Security Contexts），限制其許可權
    • 使用 AppArmor、seccomp 和 SELinux 來進一步加強安全性

  3. 程式監控

    • 監控容器內的程式行為，檢測異常活動
    • 利用 eBPF 技術進行高效的系統呼叫監控

關鍵技術與工具

  • 網路政策（Network Policies）：

    apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-all-traffic
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress
  ingress: []
  egress: []

    內容解密：

    • podSelector: {}：選擇所有 Pod
    • policyTypes：定義該策略同時適用於入口（Ingress）和出口（Egress）流量
    • ingress: [] 和 egress: []：禁止所有輸入和輸出的網路流量

  • 安全上下文（Security Contexts）：

    apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: secure-pod
spec:
  containers:
  - name: app
    securityContext:
      runAsNonRoot: true
      runAsUser: 1000
      capabilities:
        drop:
        - ALL

    內容解密：

    • runAsNonRoot: true：強制容器以非 root 使用者執行
    • capabilities.drop: ["ALL"]：移除所有 Linux capabilities，避免容器獲得過多特權

可觀測性與安全監控

可觀測性（Observability）是 Kubernetes 安全的重要組成部分，主要包括：

  1. 日誌監控

    • Kubernetes API server 日誌
    • 應用程式存取日誌

  2. 指標收集

    • 使用 Prometheus 和 Grafana 進行系統指標監控

  3. 分散式追蹤

    • 利用 Jaeger 或 Zipkin 追蹤微服務之間的請求

  4. 異常檢測

    • 結合機器學習技術，識別潛在的安全威脅

關鍵工具與實踐

  • Prometheus 與 Grafana：用於系統指標的收集與視覺化展示
  • 機器學習異常檢測：透過基線模型識別異常行為，如非預期的網路流量模式

身份驗證與授權機制

Kubernetes 的身份驗證與授權機制至關重要，主要包括：

  1. RBAC（根據角色的存取控制）

    • 定義精細的許可權控制規則，限制使用者或服務帳戶的存取許可權

  2. 網路政策擴充套件

    • 結合 RBAC 與網路政策，實作更強的隔離與存取控制

  3. 憑證管理

    • 安全儲存和管理敏感資訊（如 API 金鑰、資料函式庫密碼）

最佳實踐

  • 使用 HashiCorp Vault 或 AWS Secrets Manager 管理敏感資訊
  • 定期輪換憑證，減少憑證洩漏的風險

Kubernetes 中的威脅防禦

Kubernetes 面臨多種安全威脅，包括：

  1. 網路攻擊

    • 利用 Snort 或 Suricata 等入侵檢測系統監控網路流量

  2. 惡意軟體植入

    • 使用 canary pods（蜜罐容器）捕捉潛在攻擊行為

  3. DNS 相關攻擊

    • 監控 DNS 請求，防止資料外洩或命令控制（C2）通訊

防禦措施

  • 在網路層實施深度封包檢測（DPI），識別惡意流量
  • 利用機器學習技術分析日誌資料，檢測潛在威脅

Kubernetes 安全與可觀察性索引

網路安全與威脅情報

IP 位址與網域名稱威脅情報涵蓋了網路安全的重要導向，相關內容見第147-154頁。攻擊階段的分析（第143-146頁）對於理解攻擊者的行為模式至關重要，包括線上框架（第144頁）以及如何阻撓攻擊（第146頁）。

加密技術與網路架構

TLS 基礎加密技術（第12頁）是現代網路安全的基礎。Tor 覆寫網路（第148頁）提供了一種特殊的網路存取方式。

存取控制與信任模型

在 Kubernetes 環境中，根據角色的存取控制（Role-Based Access Control, RBAC）對於確保團隊間的信任至關重要。信任模型（第6頁）是安全架構設計的基礎。

機器學習與安全分析

無監督學習的定義

無監督學習（第92頁）是一種機器學習方法，用於在沒有標記資料的情況下進行模式識別。

使用者與實體行為分析（UEBA）

UEBA（第96-98頁）是一種利用機器學習技術來檢測異常行為的安全方法，相關的安全使用案例在相關文章中有詳細介紹（第96頁）。UEBA 也被應用於入侵檢測（第147頁）。

Kubernetes 工作負載安全

Kubernetes 基礎知識

Kubernetes 工作負載涉及叢集（第2頁）、容器映像檔（第2頁）和 Pod（第2頁）。佈署工作負載需要考慮每個階段的安全性，包括建置階段（第5頁）、佈署階段（第4頁）和執行階段（第7-13頁）。

佈署控制

佈署控制涉及多個方面，包括身份驗證（第46頁）、授權（第48-51頁）、CI/CD 安全（第38頁）、映像檔建置與掃描（第33-38頁）和組織政策（第43-46頁）。

可觀察性與監控

可觀察性是確保 Kubernetes 環境穩定的關鍵，涉及可觀察性元件（第76頁）、資料視覺化（第84-86頁）和支援視覺化的工具（第84頁）。

安全最佳實踐

零信任政策

在 CI/CD 管道安全中實施零信任政策（第42頁）是一種先進的安全策略。X509 使用者端憑證（第46頁）可用於身份驗證。

作者簡介

Brendan Creane 是 Tigera 的工程負責人，負責所有工程業務，包括 Calico Cloud、Calico Enterprise 和 Project Calico。Amit Gupta 是 Tigera 的產品管理與業務開發副執行長，負責公司產品的策略與願景，並長官公司路線圖的交付。

封面動物

本文封面上的動物是非洲魚鷹（Haliaeetus vocifer），一種分佈在撒哈拉以南非洲的大型鷹類別。非洲魚鷹是奈米比亞和尚比亞的國鳥，出現在多個非洲國家的國徽和旗幟上。封面插圖由 Karen Montgomery 繪製，根據 Lydekker 的《皇家自然史》中的黑白版畫。