eBPF 雲原生安全監控利器

– 9 分鐘閱讀

eBPF 作為一種在 Linux 核心中執行程式碼的技術，已成為雲原生安全監控的利器。它避免了傳統方法的效能瓶頸，並提供更精細的可觀測性。eBPF 程式可以直接掛鉤到核心事件，例如系統呼叫、網路事件和檔案存取，從而收集豐富的安全相關資訊。這些資訊可以幫助安全團隊檢測異常行為、識別漏洞並快速回應安全事件。此外，eBPF 的安全性由驗證器和 JIT 編譯器共同保障，確保程式碼在核心中安全執行，同時兼顧效能。在 Kubernetes 環境中，eBPF 可以與容器執行時整合，提供更全面的容器安全可視性，並支援更精細的網路策略執行。

為什麼 eBPF 是安全領域的最佳工具

技術背景

在現代雲原生環境中，安全監控和威脅檢測面臨著諸多挑戰。傳統的安全工具往往依賴於資料包捕捉或磁碟取證，但這些方法在現代高擴充套件性環境中已顯得成本高昂且效果不佳。eBPF（擴充套件伯克利封包過濾器）技術的出現，為安全監控帶來了革命性的解決方案。

eBPF 的優勢

eBPF 是一種原生於 Linux 核心的技術，能夠在核心事件發生時執行自定義的程式碼。這使得 eBPF 成為實作執行時安全監控的強大工具。相較於傳統方法，eBPF 能夠直接掛鉤到核心程式碼路徑，並在近乎實時地收集自定義的安全可觀測性事件，而不會對應用程式造成幹擾。

eBPF 的關鍵特性

  1. 高效能：eBPF 在核心中執行，避免了上下文切換的開銷。
  2. 安全性：eBPF 的驗證器確保了程式的安全執行。
  3. 靈活性：eBPF 支援多種掛鉤點，可以根據需求進行擴充套件。

eBPF 在安全監控中的應用

eBPF 可以用於實作多種安全監控功能，包括：

  1. 程式執行監控：監控系統中的程式執行情況，可以檢測到異常的程式行為。
  2. 網路連線監控：監控網路連線，可以檢測到可疑的網路活動。
  3. 檔案存取監控：監控檔案存取，可以檢測到未授權的檔案存取。
  4. Layer7 網路身份監控：監控應用層的網路身份，可以檢測到可疑的應用層行為。

實施 eBPF 安全監控的步驟

  1. 選擇合適的 eBPF 工具：根據需求選擇合適的 eBPF 工具，例如 BCC、libbpf 等。
  2. 編寫 eBPF 程式：編寫 eBPF 程式來實作所需的監控功能。
  3. 佈署 eBPF 程式：將 eBPF 程式佈署到目標系統中。
  4. 收集和分析資料：收集 eBPF 程式產生的資料，並進行分析和處理。

eBPF 程式範例

#include <linux/bpf.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>

SEC("tracepoint/syscalls/sys_enter_execve")
int trace_execve(struct trace_event_raw_sys_enter *ctx)
{
    // 取得程式資訊
    struct task_struct *task = (struct task_struct *)bpf_get_current_task();
    char comm[TASK_COMM_LEN];
    bpf_get_current_comm(&comm, sizeof(comm));

    // 記錄事件
    bpf_trace_printk("Process %s executed: %s\n", comm, (char *)ctx->args[0]);
    return 0;
}

程式碼解析

此 eBPF 程式碼掛鉤到 sys_enter_execve 追蹤點，用於監控 execve 系統呼叫的發生。當有新的程式被執行時，該程式會記錄下當前程式的名稱和被執行的程式路徑。透過這種方式，可以監控系統中所有新啟動的程式。

Kubernetes 中的 eBPF 佈署

要在 Kubernetes 叢集中佈署 eBPF 程式，通常需要：

  1. 使用 DaemonSet：確保在每個節點上執行 eBPF 代理程式。
  2. 載入 eBPF 程式：將編譯好的 eBPF 程式載入到核心中。
  3. 收集和分析事件：將 eBPF 捕捉的事件傳送到集中式的日誌分析系統。

DaemonSet 組態範例

apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: ebpf-agent
spec:
  selector:
    matchLabels:
      name: ebpf-agent
  template:
    metadata:
      labels:
        name: ebpf-agent
    spec:
      containers:
      - name: ebpf-agent
        image: ebpf-agent:latest
        securityContext:
          privileged: true

安全可觀測性的未來發展

隨著雲原生技術的不斷演進，安全可觀測性將變得越來越重要。未來，我們可以期待：

  1. 更深入的核心可觀測性：隨著 eBPF 技術的成熟，將會有更多核心層面的可觀測效能力被開發出來。
  2. AI 驅動的安全分析：結合機器學習技術，對大量安全事件進行智慧分析，提高威脅檢測的準確性。
  3. 跨雲的安全一致性：實作跨多雲環境的安全可觀測性，提供統一的安全檢視。

eBPF 技術為現代雲原生環境下的安全監控提供了強大的支援。透過 eBPF，我們可以實作更高效、更靈活的安全監控，及時檢測和回應潛在的安全威脅。隨著 eBPF 技術的不斷發展，我們可以期待在未來看到更多創新的安全解決方案。

  flowchart TD
    A[啟動 eBPF 程式] --> B[掛鉤到核心事件]
    B --> C[收集安全事件資料]
    C --> D[分析事件資料]
    D --> E[檢測安全威脅]
    E --> F[觸發警示或防護措施]

圖表翻譯：

此流程圖展示了使用 eBPF 進行安全監控的基本流程。首先啟動 eBPF 程式並掛鉤到核心事件，接著收集安全事件資料並進行分析。如果檢測到安全威脅，則觸發警示或防護措施。這種根據 eBPF 的安全監控方案能夠提供更精細的安全可觀測性，有助於及時發現和應對潛在的安全威脅。

eBPF 在雲原生安全中的最佳實踐

容器安全基礎

容器技術的廣泛應用帶來了新的安全挑戰。作為目前最廣泛使用的低階容器執行時，runC 負責根據 OCI 規範在 Linux 上生成和執行容器。容器執行時可以透過限制 CAP_SYS_CHROOT 能力來提高安全性，並且由於安全問題，使用 pivot_root 來處理可存取的掛載點。

核心名稱空間（Kernel Namespaces）

在 Linux 中，程式是一個在記憶體中執行的可執行程式。程式具有程式 ID（PID）、自己的記憶體位址空間以及用於開啟、讀取和寫入檔案的檔案描述符。容器使用 Linux 名稱空間來隔離這些資源，創造出容器是系統上唯一存取資源的假象。

名稱空間型別
  1. PID 名稱空間：遮蔽程式 ID，使容器只能看到容器內部執行的程式，而看不到其他容器或 Kubernetes 節點上的程式。
  2. 掛載名稱空間：在節點上解壓縮減器映像的 tarball，並為容器進行 chroot 操作。
  3. 網路名稱空間：組態網路介面和路由表，使容器能夠傳送和接收流量。在 Kubernetes 中，可以透過 hostNetwork 停用此名稱空間，這樣容器可以直接存取節點上監聽的服務，並繞過網路策略。
  4. IPC 名稱空間：促進容器之間的分享記憶體，包括在 Kubernetes Pod 中執行的多個容器。
  5. UTS 名稱空間：組態容器的主機名稱。
  6. 使用者名稱空間：將容器內的 root（UID0）與節點上的 root（UID0）分開。然而，Kubernetes 目前不支援使用者名稱空間。

控制群組（Cgroups）

Cgroups 能夠限制容器可以消耗的 CPU 和記憶體資源，從安全形度來看，這可以防止「吵鬧的鄰居」或拒絕服務（DoS）攻擊，其中一個容器消耗了節點上的所有硬體資源。超過 CPU 限制的容器將被速率限制，而超過記憶體限制將導致記憶體不足（OOM kill）事件。

eBPF 在容器安全中的應用

eBPF 技術為容器安全提供了新的解決方案。它能夠在不修改核心原始碼的情況下，透過在核心中執行沙盒程式來實作對系統行為的監控和控制。

eBPF 程式範例

# eBPF 程式範例
def monitor_system_calls(ctx, data):
    """監控系統呼叫"""
       #  wakes up here
        # 取得系統呼叫號碼
        syscall_nr = ctx['syscall_nr']
        # 根據系統呼叫號碼進行處理
        if syscall_nr == SYS_execve:
            # 處理 execve 系統呼叫
            handle_execve(ctx, data)
        elif syscall_nr == SYS_open:
            # 處理 open 系統呼叫
            handle_open(ctx, data)

內容解密：

此程式碼定義了一個名為 monitor_system_calls 的函式，用於監控系統呼叫。它接收上下文和資料作為輸入引數，並根據系統呼叫號碼進行不同的處理。這種機制使得 eBPF 程式能夠靈活地監控和分析系統行為，有助於及時發現潛在的安全威脅。

eBPF 技術為現代雲原生環境下的容器安全提供了強大的支援。透過 eBPF，我們可以實作更高效、更靈活的安全監控，及時檢測和回應潛在的安全威脅。隨著 eBPF 技術的不斷發展，我們可以期待在未來看到更多創新的安全解決方案。

根據 eBPF 的 Kubernetes 容器安全監控技術深度解析

核心功能與技術優勢

eBPF 技術在容器安全監控領域展現了強大的功能與靈活性，其核心優勢包括：

  1. 能夠直接掛鉤核心事件，實作即時監控
  2. 執行自定義程式碼以滿足特定安全需求
  3. 收集與容器屬性相關的安全事件，提供全面可見性
  4. 提供靈活且強大的執行時安全框架

eBPF 技術原理深入剖析

虛擬機器在核心中的運作機制

容器本質上是在核心名稱空間中執行的 Linux 程式，eBPF 能夠在核心層面攔截關鍵系統呼叫。以下以 execve() 系統呼叫為例，詳細說明 eBPF 的運作原理：

// eBPF 程式掛鉤到 execve() 系統呼叫實作
SEC("tracepoint/syscalls/sys_enter_execve")
int tracepoint_syscalls_sys_enter_execve(struct trace_event_raw_sys_enter *ctx)
{
    // 取得目前程式名稱
    char comm[TASK_COMM_LEN];
    bpf_get_current_comm(&comm, sizeof(comm));

    // 取得被執行的程式路徑
    char pathname[256];
    bpf_probe_read_str(pathname, sizeof(pathname), (void *)ctx->args[0]);

    // 建立事件結構體
    struct event ev = {};
    ev.pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
    ev.uid = bpf_get_current_uid_gid();
    bpf_probe_read_str(ev.comm, sizeof(ev.comm), comm);
    bpf_probe_read_str(ev.pathname, sizeof(ev.pathname), pathname);

    // 將事件傳送至使用者空間
    events.perf_submit(ctx, &ev, sizeof(ev));
    return 0;
}

內容解密：

此段 eBPF 程式碼實作了對 execve() 系統呼叫的掛鉤監控，主要功能包括：

  1. 透過 bpf_get_current_comm 取得目前執行中的程式名稱
  2. 使用 bpf_probe_read_str 讀取被執行的程式路徑
  3. 建立事件結構體，記錄程式的 PID、UID、名稱及路徑等關鍵資訊
  4. 透過 events.perf_submit 將事件傳送至使用者空間進行進一步分析

這種機制能夠實作對程式行為的精細化監控，為容器安全提供強有力的技術支援。

eBPF 程式的安全性保障機制

eBPF 的安全性由兩個核心元件共同保障：

  1. 驗證器（Verifier）：在 eBPF 程式載入至核心前進行嚴格的安全性檢查，確保程式不會存取或暴露任意核心記憶體，同時避免無限迴圈等安全風險
  2. JIT 編譯器：將透過驗證的 eBPF 程式碼編譯為原生機器碼，實作高效執行

安全機制流程圖

  flowchart LR
    A[eBPF 程式載入] --> B[驗證器檢查]
    B -->|透過| C[JIT 編譯]
    B -->|失敗| D[載入失敗]
    C --> E[執行 eBPF 程式]
    D --> F[回報錯誤資訊]

圖表剖析：

此流程圖清晰展示了 eBPF 程式從載入到執行的完整安全檢查流程：

  1. eBPF 程式首先被載入至系統
  2. 驗證器進行嚴格的安全檢查
  3. 透過驗證的程式碼由 JIT 編譯器編譯為高效的機器碼
  4. 編譯後的程式碼得以安全執行

eBPF 在 Kubernetes 環境中的應用實踐

在 Kubernetes 環境中，eBPF 能夠透過「監控器」程式實作對容器事件的有效跟蹤。這些監控器能夠：

  1. 從 Kubernetes API 伺服器提取身份中繼資料
  2. 將中繼資料與核心中的容器事件進行關聯
  3. 實作身份感知的安全可觀測性

這種技術實作了對叢集中安全事件的全面監控，為容器化環境提供了強大的安全保障。

安全性考量與最佳實踐

eBPF 的安全性設計確保了其在核心中的執行是安全可控的。主要安全措施包括：

  1. 嚴格的驗證機制確保程式碼的安全性
  2. JIT 編譯技術提升執行效率
  3. 提供靈活的安全監控能力

未來發展趨勢

隨著雲原生技術的持續演進，eBPF 在安全領域的應用前景廣闊。未來的發展方向可能包括：

  1. 與 AI 和機器學習技術的深度融合
  2. 提供更智慧的安全監控和分析能力
  3. 進一步提升容器環境下的安全可觀測性

這種技術的發展將為容器安全監控帶來更強大的技術支援。

縱觀技術生態圈的動態變化，eBPF 作為新興技術已成為雲原生安全領域的焦點。深入剖析其核心機制，eBPF 完美結合了核心層的效能和使用者空間的靈活性，解決了傳統安全工具在容器化環境下難以兼顧效能和安全性的痛點。藉由掛鉤核心事件和執行自定義程式碼，eBPF 能夠提供更精細、更即時的安全可觀測性，並有效降低系統開銷。然而，eBPF 程式設計的複雜性和核心相容性等挑戰仍需關注。技術團隊應著重於簡化 eBPF 程式開發流程，並加強相關人才培養，才能充分釋放 eBPF 的巨大潛力。玄貓認為，eBPF 代表了雲原生安全的重要發展方向，值得安全廠商和技術團隊深入研究和積極應用。隨著 eBPF 技術的持續演進和生態系統的日趨完善，我們預見其將在雲原生安全領域扮演越來越重要的角色，推動容器安全邁向新的高度。

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。