Kubernetes 磁碟加密與 Secrets 安全管理實務

– 14 分鐘閱讀

在 Kubernetes 環境中，資料安全至關重要，磁碟加密和 Secrets 管理是確保資料安全的關鍵環節。硬體全磁碟加密技術雖為常見保護層，但仍存在潛在漏洞。軟體層級的檔案系統加密方法，例如 dm-crypt、LUKS 和 NBDE，提供更靈活的加密選項，但需根據實際需求選擇合適方案，並考量 TRIM 命令對 SSD 安全性的影響。此外，TPM 可自動處理磁碟解鎖，提升便利性的同時也需注意潛在風險。Kubernetes Secrets 的安全管理則需注意 etcd 資料函式庫的保護，並善用 TLS 加密通道、KMS 提供者等技術。實務上，應遵循 YAML 檔案結構化、Secret 可重用性、自動化等原則，並搭配 Docker、minikube、Helm 等工具進行除錯與排錯。Helm Secrets 外掛可有效管理和加密敏感資訊，透過 PGP 鑰匙等加密選項，確保 Secret 的安全性。此外，理解 YAML 語法、Secret 型別、Base64 編碼等細節，並搭配控制檯日誌分析，能有效解決常見問題並提升 Secret 管理效率。

磁碟加密與 Kubernetes 安全應用

在現代資訊安全中，磁碟加密是保護敏感資料的重要手段之一。玄貓將探討如何在 Kubernetes 環境中以原生方式實作機密加密，並比較不同的加密技術及其應用場景。

硬體全磁碟加密的挑戰

硬體全磁碟加密（Full Disk Encryption, FDE）是許多伺服器和儲存陣列中常見的保護層。然而，這些技術並非完美無缺。以下是一些研究指出的漏洞：

  • Tilo Müller 等人：研究顯示，硬體全磁碟加密技術可能存在漏洞，讓攻擊者能夠取得資料。
  • NSA 硬體破解：網路上有關 NSA 透過硬體破解取得資料的報導，進一步證明瞭這些技術的脆弱性。

檔案系統加密

在 Linux 中，有多種方法可以實作檔案系統加密，包括開源和專有解決方案。以下是三種開源方案，從簡單到複雜：

使用 plain device-mapper 加密

device-mapper 加密（dm-crypt）是一種簡單且直接的加密方法，它在區塊層級對未分割槽的磁碟進行加密。這種方法提供了完整的磁碟加密，並且不會暴露分割槽表、UUID 或標籤。

優點：

  • 提供完整磁碟加密
  • 不會暴露分割槽表、UUID 或標籤
  • 在災難還原時提供穩健的解決方案（LUKS 設定下，如果標頭被破壞，資料將丟失）

缺點：

  • 需要高度掌握 device-mapper 的技巧來確保正確組態
  • 單一通行碼且沒有鑰匙輪換，可能不符合某些合規要求
  • 沒有鑰匙匯出功能，容易受到暴力破解攻擊
  • 不支援 SSD 的 TRIM 命令

Linux Unified Key Setup (LUKS)

LUKS 是一種通用的磁碟加密軟體，內建安全的密碼管理功能。它可以解決 dm-crypt 的一些缺點，如鑰匙匯出和多重通行碼支援。此外，LUKS 還與邏輯卷管理（LVM）和軟體 RAID 相容。

LUKS 的應用場景：

  • LUKS 在分割槽上
  • LVM 在 LUKS 上
  • LUKS 在 LVM 上
  • LUKS 與軟體 RAID

複合使用 Device Mapper 與 LVM 和 LUKS

結合 Device Mapper、LVM 和 LUKS 可以提供更靈活且安全的解決方案。然而，每種組合都有其優缺點：

優點：

  • LVM 在 LUKS 上簡化了分割槽管理並保護了卷佈局
  • LUKS 在 LVM 上提供靈活性來支援加密/不加密卷

缺點：

  • LVM 在 LUKS 上依賴單一加金鑰匙
  • LUKS 在 LVM 上暴露了卷佈局

Network-Bound Disk Encryption (NBDE)

NBDE 是一種將加金鑰匙轉移到遠端服務以避免本地鑰匙管理問題的解決方案。它透過多層安全措施來保護資料：

  1. 協定選擇：使用 HTTP/HTTPS 協定簡化網路組態。
  2. 伺服器叢集：建立預定義的伺服器叢集以提供解/加密能力。
  3. 鑰匙分割：將對稱鑰匙分割儲存在不同伺服器上。
  4. 透明重啟：當所有條件滿足時允許透明重啟。
  5. 防盜保護：除非整個 NBDE 設定被盜，否則無法讀取磁碟內容。

次段落標題：TRIM 命令與安全性

對於固態硬碟硬碟（SSD），TRIM 命令可以顯著提高效能。然而，它也可能成為安全隱患。以下是一些考量：

在 plain dm-crypt 下使用 TRIM： 如果啟用 TRIM，攻擊者可能會從已釋放的區塊中推斷出加密模式。

在 LUKS 下使用 TRIM： 如果沒有通行碼輪換，攻擊者可能會從舊標頭中取得資料。

次段落標題：Trust Platform Module (TPM)

為了增強安全性，可以使用 TPM（Trusted Platform Module）來自動處理磁碟解鎖。這樣可以避免手動輸入通行碼，但也可能在伺服器被盜時暴露鑰匙。

  graph TD;
    A[Linux Filesystem] --> B[Device-Mapper Encryption];
    B --> C[Full Disk Encryption];
    A --> D[LUKS];
    D --> E[Secure Password Management];
    E --> F[Encrypted Logical Volume Management];
    A --> G[Network-Bound Disk Encryption];
    G --> H[Key Management Service];

內容解密：

此圖示說明瞭在 Linux 檔案系統中實作不同型別的磁碟加密技術。從最簡單的 Device-Mapper 加密開始，再到更複雜但更安全的 Linux Unified Key Setup (LUKS)，最後是 Network-Bound Disk Encryption (NBDE)。每個技術都有其特定的應用場景和安全考量。

資安風險分析與選型

選擇適合的磁碟加密方案需要考慮環境需求、合規要求和操作團隊的技能水平。以下是一些建議：

  1. 評估風險：根據特定環境進行風險評估。
  2. 選擇合適方案：根據評估結果選擇最適合的檔案系統加密方法。
  3. 考慮 TRIM 命令：根據需求決定是否啟用 TRIM。
  4. 使用 TPM：若需自動解鎖功能可考慮使用 TPM。

Kubernetes Secrets 安全性提升與除錯技巧

保護 etcd 資料函式庫的進階安全措施

要確保 Kubernetes 環境的安全性，etcd 資料函式庫的保護至關重要。以下是一些進階的安全措施，可以幫助你提升 etcd 的安全性。

首先，我們來看看如何使用加密技術來保護 etcd 資料函式庫中的敏感資料。Network Bound Disk Encryption（NBDE）是一種有效的加密方式，它可以在磁碟級別保護資料，同時確保只有授權的服務能夠存取這些資料。

NBDE 實作範例

以下是幾個實作 NBDE 的範例：

  1. Latchset Tang 專案：這個專案提供了一個堅韌的 KMS（Key Management Service）來實作 NBDE。你可以參考這個專案的 GitHub 頁面來瞭解更多細節。
  2. Red Hat Enterprise Linux 上的 NBDE 實作：Red Hat 提供了詳細的檔案，說明如何在其企業版 Linux 上實作 NBDE。
  3. Red Hat OpenShift 上的 NBDE 實作：OpenShift 提供了詳細的檔案，說明如何在其平台上實作 NBDE。

此外，Kubernetes 的設計根據 API 驅動架構，這意味著所有的資料交換都需要透過安全通道進行。Transport Layer Security（TLS）是確保資料傳輸安全性的關鍵技術。大多數 Kubernetes 分發版本都預設啟用了 TLS，並且提供了多種 TLS 安全組態選項，以確保服務和應用程式之間的相容性。

TLS 安全模型

在 Red Hat OpenShift 中，你可以為 ingress、kubelet 和控制平面元件組態特定的 TLS 安全組態。此外，伺服器端點也可以透過外部網路裝置或軟體進行 TLS 終止，以確保從終端使用者到 API 伺服器的網路流量安全。然而，這樣做並不能保護內部 Kubernetes 網路流量，因此需要兩者結合以提高整體安全性。

加密 Kubernetes Secrets

在當前混合多雲模式下，任何一個叢集中的 etcd 被攻擊都可能導致整個環境被危害。攻擊者可能利用叢集內部網路連線或叢集管理工具來進行進一步的攻擊。因此，使用原生 Kubernetes 加密技術（特別是 KMS 提供者）是最佳實踐。

記住，安全性不是一次性完成的任務，而是一個持續努力的過程。定期稽核和掃描你不斷變化的環境，可以幫助你瞭解當前的合規狀態，並建立一個任務清單來緩解已知漏洞和誤組態。

除錯與排錯 Kubernetes Secrets

Kubernetes Secrets 在儲存和提供敏感資訊方面扮演著關鍵角色。理解如何有效地除錯與排錯 Secret 相關問題可以節省大量時間和精力。在這一章節中，我們將討論一些常見問題及其除錯方法。

常見問題

在與 Kubernetes 互動時，無論是直接命令還是 YAML 檔案，都可能會出現錯誤。例如，錯誤的 Secret 名稱或 YAML 定義可能會導致長時間的排錯過程。因此，以下原則需要遵循：

  • YAML 檔案結構化：YAML 檔案應該結構化且能夠成為事實依據。
  • Secret 的可重用性：減少錯誤的最佳方法之一是重用 Secret。
  • 自動化：自動化可以減少人為干預帶來的錯誤。

除錯與排錯工具

為了將理論轉化為實踐，我們將使用一些常見的工具和平台來互動容器、Kubernetes 和 Secret 管理。以下是一些必需工具：

  • Docker 或 Podman：作為容器引擎。
  • Golang：我們示例中使用的一種程式語言。
  • minikube：在本地電腦上執行單節點 Kubernetes 叢集。
  • Git：版本控制系統。
  • Helm：Kubernetes 包管理器。
  • GnuPG：開放原始碼實作 OpenPGP。

除錯與排錯最佳實踐

在結束之前，我們來看看一些除錯與排錯 Secret 的最佳實踐：

  1. 檢查 YAML 檔案：確保 YAML 檔案結構正確且沒有語法錯誤。
  2. 驗證 Secret 名稱：確保 Secret 名稱正確無誤。
  3. 使用日誌檢查錯誤：Kubernetes 日誌可以提供有價值的除錯資訊。
  4. 測試 Secret 還原：定期測試 Secret 還原機制以確保其有效性。
  5. 自動化 Secret 資源管理：使用 Helm 或其他工具來自動化 Secret 資源管理以減少人為錯誤。

透過以上措施和工具，我們可以更有效地除錯和排錯 Kubernetes Secrets 問題。

管理 Kubernetes Secrets 常見問題與最佳實踐

在管理 Kubernetes Secrets 時，常見的問題包括誤用指令行、Secret 重複性及安全性等。本文將探討這些問題並提供最佳實踐，幫助讀者更有效地管理 Secrets。

Secret 的定義與重用

每次透過指令行建立 Secret 都可能引入錯誤，這是因為指令行輸入容易出錯且難以檢查。使用 YAML 檔案定義 Secret 能夠更容易檢查結構並確保所需的結果。此外，YAML 檔案還能靈活地多次應用同一個 Secret。如果發現錯誤，只需修復 YAML 檔案並重新應用即可。

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: example-secret
type: Opaque
data:
  username: YWRtaW4=
  password: MWYyZDFlMmU2N2Rm

應用 Secret 的最佳實踐

為了避免重複建立相同的 Secret，應該確保 Secret 的可重用性。Secret 應該能夠在不同的名稱空間中被多個元件使用。這樣可以減少錯誤並提高效率。

Helm 與 Helm Secrets

在 Helm charts 中提供加密和解密功能，可以使用 Helm Secrets 外掛。Helm Secrets 能夠加密敏感資料，如密碼、憑證和鍵。Helm Secrets 支援多種加密選項，包括 AWS KMS、GCP KMS 和 gpg 命令列工具。

建立 PGP 鍵

使用 PGP 鍵來加密檔案是一種常見的方法。PGP 使用公鑰加密，包含一對公鑰和私鑰。公鑰用於加密資料，私鑰用於解密資料。公鑰可以分發，但私鑰必須保密。

$ gpg --generate-key

這個命令會生成一個具有預設選項的鍵對，例如過期時間為一年和預設鍵大小。可以使用 --full-generate-key 命令在建立鍵時獲得更多選項。

生成鍵後，可以列出並檢索已建立的鍵：

$ gpg --list-keys

加密 Secrets

假設我們有一個包含 Helm 值的檔案：

jwt-key:
  value: secret-key

我們需要建立一個 .sops.yaml 檔案來指定要使用的 PGP 鍵：

creation_rules:
- pgp: >-
  gpg-key

然後可以加密值：

helm secrets enc values.yaml

最終，我們的檔案應該看起來像這樣：

jwt-key:
  value: ENC[AES256_GCM,data:9/0gmkCNm2DbEw==,iv:dbthtzx1t8KUHazh7v48T7ASep0rTbYJBrl/jEw6zWE=,tag:MLVXlruHpkMxYihPvNieVQ==,type:str]
sops:
...
pgp:
  enc: |
    -----BEGIN PGP MESSAGE-----
    -----END PGP MESSAGE-----
version: 3.7.3

內容解密：

  1. PGP 鍵生成：生成 PGP 鍵是加密資料的第一步。PGP 鍵使用公鑰和私鑰對進行加密和解密。

    • gpg --generate-key：這個命令生成一對 PGP 鍵。
    • --full-generate-key：提供更多選項來自定義鍵的屬性。

  2. 列出已有鍵：使用 gpg --list-keys 命令列出所有已生成的 PGP 鍵。

    • gpg --list-keys：列出所有已生成的 PGP 鍵及其詳細資訊。

  3. Helm Secrets 加密：Helm Secrets 外掛使用 .sops.yaml 檔案來指定要使用的 PGP 鍵。

    • creation_rules:：定義加密規則，指定要使用的 PGP 鍵。
    • helm secrets enc values.yaml：這個命令加密 values.yaml 檔案中的敏感資料。

超連結

與 Kubernetes Secrets 的常見問題

在建立 Kubernetes Secrets 的過程中，可能會遇到各種錯誤，如無效的 YAML 語法、無效的 Secret 型別、缺失資料或不良編碼等。這些錯誤通常會立即反饋給我們。

慢速執行（Dry Run）

在應用 Kubernetes Secret 之前，可以使用 --dry-run 選項來模擬 Secret 的建立或更新：

$ kubectl create secret generic opaque-example-from-literals --from-literal=literal1=text-for-literal-1 --dry-run=client
secret/opaque-example-from-literals created (dry run)

內容解密：

  1. Dry Run：幫助我們在不實際執行操作的情況下驗證 Secret 組態。

    • --dry-run=client：模擬 Secret 的建立或更新操作。
    • -o yaml：生成 YAML 清單格式的輸出。

  2. Base64 編碼：Base64 是表示 Secret 值的一種常見格式。

    • 預設情況下，如果值是純文字形式，Kubernetes 會將其編碼並儲存為 Base64 檔案。
    • 提交已編碼的 Base64 值可能會導致問題，特別是當值本身就是 Base64 編碼時。

論述秘訣

在管理 Kubernetes Secrets 的過程中，我們經常會遇到一些困難。本文將探討一些常見問題以及如何有效地解決它們。

無效 YAML 語法

Kubernetes Secrets 的 YAML 語法錯誤是常見問題之一。以下是一些常見的 YAML 語法錯誤及其解決方案：

  1. 缺少冒號：在 YAML 中，每個鍵值對都需要以冒號分隔。
  2. 不正確的縮排：YAML 對縮排非常敏感，不正確的縮排會導致解析錯誤。
  3. 未閉合引號：字串值必須用引號包圍。

以下是一個無效 YAML 語法的範例：

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
name: example-secret # 忘記新增冒號
type: Opaque
data:
username: YWRtaW4= # 沒有引號包圍字串值
password MWYyZDFlMmU2N2Rm # 沒有冒號分隔鍵值對

正確的格式應該如下：

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: example-secret # 新增冒號
type: Opaque # 不正確縮排導致錯誤解析,
data:
  username: "YWRtaW4=" # 用引號包圍字串值,
  password: "MWYyZDFlMmU2N2Rm" # 新增冒號分隔鍵值對.

無效 Secret 型別

Kubernetes 支援多種 Secret 型別，如 Opaque, kubernetes.io/dockercfg, kubernetes.io/service-account-token 和 kubernetes.io/basic-auth 等。如果指定了無效的 Secret 型別，Kubernetes 無法正確建立 Secret。

小段落標題：Secret 的型別及其用途
  • Opaque：預設型別，用於儲存任意型別的敏感資料。
  • kubernetes.io/dockercfg：用於儲存 Docker 組態資訊。
  • kubernetes.io/service-account-token：用於儲存服務賬戶令牌。
  • kubernetes.io/basic-auth：用於儲存基本身份驗證資訊。

以下是一個無效 Secret 型別範例：

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: invalid-secret-type
type: invalid-type # 無效秘訣型別.
data:
 username: YWRtaW4=
 password MWYyZDFlMmU2N2Rm # 沒有冒號分隔鍵值對.

如果遇到無效秘訣型別錯誤,請檢查 type 欄位,並確保它為支援型別之一.

小段落標題：可靠避免秘訣型別錯誤.
  1. 檢查秘訣型別：確保 type 欄位指定的是支援型別之一.
  2. 參考官方檔案：查閱 Kubernetes 官方檔案瞭解支援秘訣型別及其用途.

資料缺失或不良編碼

當建立 Kubernetes Secret時,可能會遇到資料缺失或不良編碼問題.以下是一些常見原因及解決方法:

  1. 缺失必要資料欄位:Secret必須包含所有必要欄位,例如metadata.name和data欄位.
  2. 不良 Base64 編碼:Secret 值必須使用 Base64 編碼,否則無法正確解析.

以下是資料缺失範例:

apiVersion:v1 # 應包含 Kind 和 Metadata 欄位.
#metadata 欄位缺失,導致錯誤.
data:
 username:"YWRtaW4="
 password:"MWYyZDFlMmU2N2Rm"

正確格式應該如下:


apiVersion:v1,
kind:"Secret" ,
metadata:
 name:"example-secret"
data:
 username:"YWRtaW4=" ,
 password:"MWYyZDFlMmU2N2Rm"
小段落標題：Base64 編碼常見問題.

Kubernetes 預設將純文字值轉換為 Base64 編碼,但在某些情況下,可能會導致問題.

  1. 提交已編碼 Base64 值:如果提交已經編碼過 Base64 值,則無需進行額外編碼.
  2. 不良 Base64 編碼:Kubernetes 無法正確解析不良 Base64 編碼,可能導致錯誤.

以下是提交已編碼 Base64 值範例:


apiVersion:v1,
kind:"Secret"
metadata :
 name:"encoded-secret"
data :
 username:"YWRtaW4=" ,password:"MWYyZDFlMmU2N2Rm" ## 已經是Base64編碼.

由於已經提交了Base64編碼資訊因此需要進行額外處理根據此可能造成基礎設施影響.

小段落標題：如何避免Base64編碼問題.
  1. 檢查 Base64 編碼:確保提交之前進行了正確編碼. 2.參考官方檔案 :Base64 編碼規範,瞭解如何正確處理Base64編碼.

康納設計架構圖示

此圖示展示了 Kubernetes 叢集中的 Helme和Helme-secrets 在幫助組織化秘訣的一致性與安全性機制.

  graph TD;
    A[Helme] --> B[Helme-secrets];
    A --> C[Kubernets cluster];
    B --> D[Encryption];
    D --> E[Encrypted Data];
    E --> F[Helme-scret];
    F --> G[Kubernets cluster];

內容解密：

此圖示展示了 Helme 和 Helme-secrets 在 Kubernetes 叢集中協助組織化秘訣的一致性與安全性機制。

  1. Helme：Helme 是 Kubernetes 中常用的一個包管理工具。

    • Helme 應與 Helme-secrets 外掛一起組態才能完成秘訣安全組織化功能.

  2. Helme-secrets：Helme-secrets 是 Helme 的擴充套件工具，主要負責秘訣資料進行安全處理與加密功能.

    • 加密資料經由 Helme-secrets 處理後才能被安裝至叢集內部環境中.

  3. Encryption（加密）：Helme-secrets 外掛主要功能即是在敏感資料進行加密處理.

    • Encryption 是 Helme-secrets 外掛對秘訣進行安全處理後產生之加密資料格式,

4.Encrypted Data（已加密資料）：經由 Helme-secrets 處理後之敏感資料，

  • Encrypted Data 是由 Helme-secrets 加上 GPG 公/私鑰組態後產生之結果.

5.Helme-secret（Helme-secret）：由 Encrypted Data 轉換過後輸出之安全化資料，

  • Helme-secret 是由 Encrypted Data 轉換後再由 Helme 安裝至 Kubernetes 叢集內部環境中之敏感資料內容,

控制檯記錄分析

在搭配控制檯記錄進行分析系統屬性時我們可以瞭解系統運作狀態以及異常原因從而找出改善點.

此圖示展示瞭如何使用控制檯記錄分析系統屬性.

  
graph TD;
    A[系統日誌] --> B[日誌分析];
    A --> C[系統屬性];
    B --> D[異常判斷];
    D --> E[改善點];
內容解密：

此圖示展示瞭如何透過控制檯日誌來分析系統屬性以便發現異常原因並找到改進點。

1.**系統日誌：**系統日誌記錄著系統執行時產生之各種事件紀錄,包括作業系統層級事件及應用程式執行階段紀錄,

  • 日誌記錄分為兩種主要型別：系統級別日誌和應用級別日誌

  • **系統級日誌：**主要記錄作業系統執行狀態與變更事件,如網路連線、磁碟狀態變更等；

  • **應用級日誌：**主要紀錄特定應用程式執行階段事件,如API呼叫、函式執行狀態等；

**注意事項：**日誌記錄適當保留時間很重要, 長時間保留可能造成磁碟空間浪費並且增加查詢難度， 而短時間保留則可能丟失重要事件紀錄,

2.**日誌分析：**透過擷取分析日誌內容以便理解系統執行狀態, 根據日誌分析結果可瞭解系統執行模式與潛在問題,

3.**系統屬性：**根據日誌記錄結果查詢相關系統屬性變化情況, 以便理解系統運作模式及潛在異常,

注意事項: 在做系統屬性調整時請務必注意備份原始設定以避免意外失敗,

**小段落標題：異常判斷標準

透過比較歷史記錄判斷異常發生原因，

**小段落標題：異常判斷流程

瞭解異常發生原因可以快速回復異常狀況,

**小段落標題：異常判斷結論

若符合以上情況則應採取相關措施回復狀況,

玄貓

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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。