從威脅建模到監控的 Kubernetes 安全實務

– 7 分鐘閱讀

Kubernetes 已成為現代應用程式佈署的根本，但其安全設定常被忽略。本文將探討如何強化 Kubernetes 叢集的安全性，涵蓋威脅建模、最小許可權原則、安全邊界、元件安全組態、Pod 安全強化、容器映像檔掃描、即時監控及縱深防禦等關鍵導向，並搭配真實案例與程式碼範例，協助您建構更安全的 Kubernetes 叢集。

Kubernetes 架構與網路安全再思考

首先，我們重新思考 Kubernetes 的核心元件和物件，並探討其網路模型，特別是微服務之間的通訊安全。我發現在實際應用中，網路安全往往是 Kubernetes 叢集中最容易被攻破的環節。

  graph LR
    C[C]
    A[API Server] --> B(Controller Manager)
    B --> C{Scheduler}
    C --> D[Kubelet]
    D --> E[Pod]
    subgraph Node
        D
        E
    end

上圖展示了 Kubernetes 的核心元件及其互動關係。API Server 作為控制平面入口，Controller Manager 負責維持叢集狀態，Scheduler 負責 Pod 排程，Kubelet 負責管理節點上的 Pod。這就好比一個國家的中央政府，API Server 是最高指揮中心，其他元件各司其職，共同維護整個國家的運作。

Kubernetes 的網路模型根據扁平網路空間，所有 Pod 都可以直接互相通訊。這在開發測試環境中很方便，但在生產環境中，我們需要更精細的網路控制，否則就像一個沒有城牆的城市，任何人都可以自由進出。NetworkPolicy 提供了根據標籤的網路存取控制，可以限制 Pod 之間的通訊，就像為城市建立了城牆和關卡，只允許授權人員通行。

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

以上 NetworkPolicy 設定拒絕所有進入 Pod 的流量。podSelector: {} 表示此策略適用於所有 Pod，policyTypes: - Ingress 表示此策略僅適用於進入流量。這就像一道關閉的城門，任何人都無法進入。

威脅建模與最小許可權原則的應用

設計 Kubernetes 安全策略時，威脅建模至關重要。我們需要識別重要的資產、潛在的威脅來源，並評估攻擊者的動機和能力。這就像在戰爭中，知己知彼才能百戰百勝。

最小許可權原則是 Kubernetes 安全的根本。我們需要限制 Kubernetes 主體（例如使用者、服務帳戶）和工作負載（例如 Pod）的許可權，只授予其完成任務所需的最小許可權。這就像管理公司員工的許可權，每個員工只能存取完成自己工作所需的資訊，避免資訊洩露或濫用。

在接下來的文章中，我們將探討安全邊界設定、元件安全組態、Pod 安全強化、容器映像檔掃描、即時監控、縱深防禦等關鍵導向，並提供更多實務案例和程式碼範例。敬請期待！

Kubernetes 安全強化實務：保護你的叢集

身為一位在雲端安全領域有多年經驗的技術工作者，我發現 Kubernetes 安全常常被誤解或低估。許多開發者專注於應用程式佈署，卻忽略了叢集本身的安全強化。這篇文章將提供一個 Kubernetes 安全的實務，涵蓋邊界安全、元件安全、Pod 安全、容器映像掃描、監控、資源管理以及縱深防禦等關鍵導向。

強化叢集邊界：控制平面與工作節點的隔離

Kubernetes 叢集的安全始於邊界防禦。控制平面和工作節點之間的通訊必須受到嚴格控制，避免未經授權的存取。我建議使用網路策略限制對控制平面的存取，只允許必要的流量透過。此外，設定防火牆規則也是必不可少的，可以有效阻擋惡意流量。

  graph LR
subgraph 控制平面
    A[API Server]
end
subgraph 工作節點
    B[Kubelet]
end
A -- 網路策略 --> B

此圖展示瞭如何使用網路策略保護控制平面，限制工作節點的存取許可權。

保護 Kubernetes 元件：安全組態與漏洞掃描

Kubernetes 的核心元件，例如 kube-apiserver、kubelet、kube-controller-manager 和 kube-scheduler，都具有敏感的設定。必須確保這些元件的安全組態，例如使用 TLS 加密通訊、使用 RBAC 授權、定期更新版本以及進行漏洞掃描。kube-bench 等工具可以協助檢查叢集組態是否符合安全最佳實踐。

Pod 安全強化：限制容器許可權

Pod 安全是 Kubernetes 安全的根本。我們可以使用 Pod Security Admission、Security Context 和 AppArmor 等機制來限制 Pod 的許可權，例如禁止 root 許可權執行、限制資源使用、設定網路策略等。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: secure-pod
spec:
  securityContext:
    runAsUser: 1000
    runAsGroup: 3000
  containers:
  - name: my-container
    image: my-secure-image
    securityContext:
      capabilities:
        drop:
        - ALL

這段 YAML 檔案定義了一個 Pod，其中設定了 securityContext，限制容器以非 root 使用者執行，並捨棄所有 capabilities。

容器映像安全：整合漏洞掃描工具

容器映像安全至關重要。我建議在 CI/CD 流程中整合映像掃描工具，例如 Trivy、Clair 或 Anchore Engine，以便在佈署前識別映像中的漏洞。

即時監控與資源管理：預警潛在安全威脅

即時監控和資源管理對於 Kubernetes 安全至關重要。Prometheus 和 Grafana 等工具可以協助監控叢集的資源使用情況、效能指標和安全事件。設定警示可以及時發現異常活動，例如資源耗盡、Pod 錯誤率上升等。

構建縱深防禦體系：多層次安全防護

縱深防禦是一種多層次的安全策略，可以有效降低安全風險。Kubernetes 提供了稽核、高用性、秘密管理、網路策略和 Pod 安全策略等機制，可以協助構建縱深防禦體系。

在設計分散式系統時，我發現多層次的安全防護非常重要。單一的安全措施很容易被繞過，而多層次的防護可以有效阻擋攻擊，即使某一層被攻破，也能夠阻止攻擊者進一步入侵。

透過實施這些安全措施，可以有效提升 Kubernetes 叢集的安全性，降低安全風險。記住，安全是一個持續的過程，需要不斷學習和改進。

Kubernetes 已成為容器協調的標準，但其生態圈之豐富，常令初學者不知所措。我將以自身經驗出發，帶領大家探索 Kubernetes 的多樣化面貌，從輕量級的本地佈署到雲端原生整合，逐步揭開 Kubernetes 的神秘面紗。

Kubernetes 的百變樣貌：主流變體解析

Kubernetes 並非單一工具，而是衍生出許多針對不同場景的變體。以下是我在不同專案中使用過，並認為值得推薦的幾種：

  • Minikube: 猶如 Kubernetes 的沙盒，這個單節點叢集非常適合初學者。它麻雀雖小，五臟俱全，支援 LoadBalancer、PersistentVolume、Ingress 等核心功能，是我入門 Kubernetes 時的首選。

  • K3s: 輕量級王者，專為資源受限的環境設計。在邊緣計算和物聯網專案中，K3s 的小巧身軀和與標準 Kubernetes 的高度相容性，讓我印象深刻。它使用 sqlite 作為預設儲存，進一步降低了資源消耗。

  • OpenShift: 企業級的 Kubernetes 平台，由 Red Hat 開發。它強化了安全性策略，並提供了商業支援。在企業級應用中，OpenShift 的穩定性和可靠性是其最大的優勢。需要注意的是，OpenShift 與標準 Kubernetes 有一些命名差異，例如 Namespace 在 OpenShift 中稱為 Project。

雲端原生時代：Kubernetes 與雲端供應商的完美結合

主流雲端供應商都提供託管 Kubernetes 服務，讓佈署和管理 Kubernetes 叢集變得更加便捷。以下是我在不同雲端平台上使用 Kubernetes 的一些心得：

  • Google Kubernetes Engine (GKE): 由 Kubernetes 的創造者 Google 提供，GKE 的效能和可擴充套件性無庸置疑。在需要快速擴充的專案中，GKE 是我的首選。

  • Azure Kubernetes Service (AKS): 與 Azure 生態系統緊密整合，對於已在使用 Azure 的使用者來説，AKS 是最自然的選擇。

  • Amazon Elastic Kubernetes Service (EKS): AWS 提供的 Kubernetes 服務，與其他 AWS 服務無縫整合。在 AWS 上構建複雜應用時，EKS 的靈活性讓我受益匪淺。

選擇雲端 Kubernetes 服務時，除了價格因素外，還需考量可擴充套件性、安全性以及與其他雲端服務的整合程度。

Kops：開發你的專屬 Kubernetes 叢集

Kops 是一個強大的命令列工具，能讓你從虛擬機器層級開始掌控 Kubernetes 叢集的組態。以下是我使用 Kops 在 AWS 上建立高用性叢集的程式碼範例：

kops create cluster \
--name=kubernetes.cluster.local \
--state=s3://kubernetes-state-store \
--zones=us-east-1a,us-east-1b,us-east-1c \
--master-zones=us-east-1a,us-east-1b,us-east-1c \
--node-count=3 \
--node-size=t2.medium \
--master-size=t2.medium \
--networking=calico \
--topology=private \
--bastion=true

這段程式碼使用 kops create cluster 命令在 AWS 上建立一個 Kubernetes 叢集。--name 指定叢集名稱，--state 設定狀態儲存位置，--zones 和 --master-zones 指定節點和 Master 節點所在的可用區，確保高用性。--node-count 和 --node-size 設定 Worker 節點的數量和規格，--master-size 設定 Master 節點規格，--networking 選擇 Calico 作為網路外掛，--topology 設定私有網路拓撲，--bastion 則啟用堡壘機以提供安全的叢集存取。

  graph LR
    Bastion_Host[Bastion_Host]
    Control_Plane[Control_Plane]
    Worker_Nodes[Worker_Nodes]
    subgraph Master_Nodes
        A[us-east-1a] --> Control_Plane
        B[us-east-1b] --> Control_Plane
        C[us-east-1c] --> Control_Plane
    end
    Control_Plane --> Bastion_Host
    Bastion_Host --> Worker_Nodes
    subgraph Worker_Nodes
        D[us-east-1a]
        E[us-east-1b]
        F[us-east-1c]
    end

上圖展示了使用 Kops 建立的 Kubernetes 叢集架構。三個 Master 節點分佈在不同可用區，共同組成高用性的控制平面。透過堡壘機，我們可以安全地存取位於私有網路中的 Worker 節點。

從本地實驗到雲端佈署，Kubernetes 提供了豐富的選擇。透過瞭解不同 Kubernetes 變體的特性以及與雲端供應商的整合方式，我們可以根據專案需求選擇最合適的解決方案，充分發揮 Kubernetes 的強大威力。

選擇適合的 Kubernetes 解決方案，就像挑選趁手的工具，能大幅提升開發和佈署效率。希望這篇文章能幫助你更好地理解 Kubernetes 生態圈，在容器化旅程中更加得心應手。

玄貓

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。