Kubernetes 安全監控：優勢與挑戰

Kubernetes 已成為企業在採用容器進行部署時的關鍵工具。Kubernetes（簡稱 K8s）是一種開放原始碼的容器協調系統，用於自動化電腦應用程式的部署、擴展與管理。它可用於自動擴展、部署及管理容器化應用程式。由於具備眾多優勢，Kubernetes 已成為在正式環境中大規模管理容器化工作負載的業界標準。Kubernetes 安全監控的普及程度正在提升，企業必須確保其安全。Kubernetes 是一種非常複雜且細緻的解決方案，具有分散式架構與動態元件。它也伴隨自身的安全問題。根據一項最新研究，容器安全 市場到 2032 年具有約 90 億美元的潛力。這些統計數據意味著朝向容器與 Kubernetes 安全的更大轉變。

這篇部落格將深入探討 Kubernetes 安全監控是什麼及其重要性。我們也將介紹各種入門方式（實作策略）以及企業維持 Kubernetes 安全的最佳實務。

了解 Kubernetes 安全性

Kubernetes 由於其分散式架構，在管理容器化應用程式方面提供無與倫比的可擴展性、韌性與靈活性。讓我們來討論架構中的一些關鍵元件：

1. API Server: API 伺服器負責處理並驗證所有傳入請求。它也負責將資訊更新至 etcd 資料存放區，因此可作為中央管理系統。
2. ectd: 它是一個 KV 儲存庫（鍵/值儲存庫），用於儲存所有相關資訊。這包括叢集狀態、組態資料等。
3. Controller Manager: 它負責管理多個控制器並維護 K8s 叢集的整體狀態。
4. kubelet: 它作為在每個節點上執行的代理程式，並管理容器生命週期。
5. kube-proxy: 它有助於維護節點上的網路規則，並啟用 Pod 與外部流量之間的通訊。
6. Container Runtime: 這是負責執行容器的軟體，例如 Docker。

雖然 Kubernetes 提供無與倫比的優勢，但它也伴隨著自身的一系列挑戰。這是由於 Kubernetes 複雜且分散式的架構所致。由於它具有各種進入點，因此整體攻擊面也隨之增加。

K8s 的另一個脆弱元件是機密管理。API 金鑰、密碼和私密金鑰等機密都被視為敏感且高度機密的資訊，而在分散式架構中保護它們是一項艱鉅的工作。為確保敏感資訊不會暴露或洩漏，開發人員可以使用適當的資源隔離。

Kubernetes 具有動態特性的原因，在於 Pod 的持續建立與刪除（以及擴展）。這種動態特性使得維持一致的安全政策變得困難。

Kubernetes 中的核心安全概念

在 Kubernetes 中，安全不是一項功能，而是整個架構的基礎。 Kubernetes 安全性 的三大支柱是角色型存取控制、網路政策和機密管理。所有這些概念共同運作，以保護組織的 Kubernetes 環境不被入侵。

角色型存取控制 (RBAC)

角色型存取控制 是 Kubernetes 中的一項功能，用於限制對叢集資源的存取。RBAC 提供一種機制，讓管理員建立角色；角色是權限的集合，並可與使用者或服務帳戶相關聯。這種細粒度控制反過來可確保使用者與應用程式僅能取得其工作所需的必要資源與權限。

以下是 Kubernetes 中 RBAC 的一些關鍵元件：

1. Roles：某個命名空間中的一組權限。
2. ClusterRoles：類似 Roles，但適用於整個叢集
3. RoleBindings：在命名空間內將角色關聯至使用者、群組或服務帳戶。

網路政策

Kubernetes NetworkPolicy，也稱為（Network Policies），是一種規格，可讓您定義 Pod 彼此之間以及與其他類型網路之間允許如何通訊。它們的功能如同 Pod 對 Pod 的防火牆，管理員可用來定義自己的強制執行規則，以規範哪些輸出流量可在特定連接埠上被允許。

政策也會套用至選定的 Pod，而輸入與輸出流量的規則則透過使用標籤定義網路政策來指定。在沒有任何 Network Policies 的情況下，所有 Pod 預設都可以彼此通訊。網路政策可實現網路分段、工作負載隔離，以及縮小攻擊面。

機密管理

在 Kubernetes 中管理機密，可解決如何讓密碼及其他敏感資訊（例如 OAuth 權杖或 SSH 金鑰）在 Pod 中既安全又可用的問題。為此，Kubernetes 提供了內建物件 Secrets。

這是一種將組態儲存在 etcd 中的方法，之後可作為檔案或環境變數提供給 Pod。例如，Kubernetes 會對傳輸中的機密進行加密（透過使用 SSL/TLS 組態），但機密預設是以 base64 編碼儲存，實際上並未提供任何安全性。我們建議透過以下方式提升安全性：

1. 對 etcd 中靜態儲存的 Secrets 進行加密，
2. 為獲得額外功能，採用第三方機密管理工具
3. 強制執行 RBAC，以安全存取敏感資料
4. 輪替機密並定期變更，以在發生外洩時降低損害。

什麼是 Kubernetes 安全監控？

Kubernetes 安全監控是指持續觀察、分析與追蹤 Kubernetes 叢集不同面向的實務，以發現並回應惡意活動。這是一個從 Kubernetes 環境中的多個來源蒐集並分析資料的過程，以確保叢集中不存在任何安全缺口。

持續監控對 Kubernetes 環境至關重要，因為它具有動態特性。工作負載是動態的，因此 Pod 會不斷建立與消失，而組態也經常變更。不用說，這種動態環境會帶來巨大的安全風險，因為不可能監看每一個整合。

持續監控可讓組織：

• 即時識別並回應安全事件
• 快速找出錯誤組態或政策違規
• 監控資源消耗與效能問題，這些問題可能暗示安全事件
• 確保安全性以符合標準與法規
• 掌握叢集健康狀態／安全狀態的可視性

監控的關鍵指標

只有在您持續關注可讓您追蹤叢集健康狀況以及是否存在實際弱點的關鍵指標時，Kubernetes 安全監控才會有效。讓我們來討論其中幾項指標。

使用率（CPU 與記憶體）

最重要且需要持續關注的指標之一是資源使用率（跨節點／Pod 的 CPU 與記憶體使用情況）。高資源使用率可能暗示安全問題，例如加密貨幣挖礦惡意軟體、阻斷服務（DoS）攻擊，或任何形式的大量耗用資源之惡意程序。

網路流量模式

另一項 Kubernetes 安全監控的重要衡量指標是網路流量模式。這包括監看 Pod 之間的通訊、監控輸出與輸入流量、嘗試連線至指定命名空間中不允許的端點，或網路政策規則與流量尖峰。

稽核日誌與事件追蹤

稽核日誌與事件追蹤是關於 API 操作的中繼資料，對 Kubernetes 叢集中的任何安全監控都非常有幫助。它會詳細記錄 API 請求及其標頭，並提供在叢集中所採取動作的完整稽核。

Kubernetes 安全監控如何運作？

Kubernetes 安全監控是一個多步驟流程。讓我們詳細討論每個步驟：

資料收集

Kubernetes 安全監控首先會從叢集內的多個來源取得資料。其中一些指標包括節點層級指標（每個節點的 CPU、記憶體、磁碟使用量）以及容器指標，這些指標可擷取資源消耗與效能資料。

資料處理與分析

取得資料後，系統會利用這些資料偵測模式、異常與安全弱點。這包括從多個不同來源收集資料以提供更廣泛的視角，並關聯叢集中所有元件之間的相關事件。機器學習演算法與規則式系統通常用於有效處理跨越可能數百萬台裝置的大量資料，以快速識別安全異常。

警示與通知

當監控系統發現潛在威脅訊號時，會傳送警示。這些警示可能與已定義的閾值有關，例如 CPU > X percent、異常偵測顯示相較於歷史資料的不尋常模式，或違反已定義的安全政策。警示可透過電子郵件、Slack 或 SMS 傳送給員工，或傳送至事件管理服務。

視覺化與報告

監控系統通常包含儀表板與報告功能，以簡明扼要地呈現叢集的安全態勢。這些視覺化內容對即時監控非常有幫助，可顯示任何特定時間點的安全狀態與作用中的問題。它們甚至讓趨勢分析變得容易，透過隨時間變化顯示安全指標，突顯持續存在的問題。

回應與修復

K8s 安全監控的最後一部分，是在識別出這些問題後具備適當的回應。這可能包括預先定義的回應，例如隔離遭受攻擊的 Pod，或由特定警示觸發的自動化動作。然而，對於某些問題，通常仍需要安全團隊進行人工調查。在回應安全事件時，應實施適當的事件回應程序，以提供處理安全事件的標準化且一致的方法。

持續改進

Kubernetes 安全監控是一個持續反覆迭代的流程。這包括檢視監控資料、警示與事件，以微調偵測規則、變更閾值，甚至在企業發現現有偵測遺漏的模式時建立新規則。隨著叢集演進，這也會更新正常行為的基準。更高層級的監控有助於改善安全政策與控制措施，進而提升 Kubernetes 環境的整體安全性。

Kubernetes 安全監控的優勢

企業可透過為 Kubernetes 叢集實施適當的安全監控而大幅受益。以下是一些主要優勢。

1. 及早威脅偵測

透過適當的 Kubernetes 安全監控，您可以及早發現潛在的安全風險與弱點。像 SentinelOne 這樣的企業級解決方案可透過持續剖析叢集活動觸發集、資源使用情況與網路流量，協助企業標記可能導致安全事件的模式或行為。

這種主動式方法可協助安全團隊快速回應新威脅，進而降低對叢集及其中執行之應用程式的影響。

2. 強化可視性

Kubernetes 安全監控能力可提供 Kubernetes 環境中所需的可視性。此類詳細報告所帶來的透明度，可讓叢集管理員與安全團隊完整且全面地了解叢集的運作方式、哪些資源正被用於何種類型的工作，以及所有使用者活動。

藉由運用這些資訊，組織可以適當地制定其安全政策、分配資源，並整體管理叢集，以建立安全且高效率的 Kubernetes 環境。

3. 法規遵循與稽核

安全監控也是維持符合產業標準與法規要求所必需的。在叢集內，組織可以記錄所有相關活動，並輕鬆匯出稽核軌跡與法規遵循報告。這對於具有高安全需求的產業至關重要，因為這顯示該解決方案遵循與 K8s 安全相關的最佳實務。

4. 改善事件回應

Kubernetes 的安全監控可提升整體安全監控能力，這有助於更佳的 事件回應。若發生任何安全事件，來自監控系統的這些詳細日誌與警示可協助進行分級處理與 RCA（根本原因分析），這對於保護遭入侵的系統非常重要。

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Kubernetes 安全監控挑戰

Kubernetes 安全監控並非易事，且伴隨各種挑戰。讓我們討論其中幾項：

1. 規模與複雜性

Kubernetes 中最大的挑戰之一，是保護與監控現代化容器化環境。隨著微服務與叢集數量增加，所產生的資料也會隨之增加。當企業擁有大量資料時，從技術角度來看，即時處理與分析這些資料並非易事。為了達成這一點，組織必須部署可處理此部署規模的高效能監控機制。

2. Kubernetes 的動態特性

Kubernetes 環境中安全監控面臨的最大挑戰之一，是其在設計上具有動態且短暫的特性。許多 pod 和容器會被建立、銷毀，並在節點之間移動，這使得維持持續性的監控涵蓋變得困難。適用於靜態環境的安全監控策略，無法勝任動態 Kubernetes 叢集環境中的需求。監控解決方案應能隨著叢集拓撲的變化進行調適與自我調整。

3. 資源負擔

在 Kubernetes 中實作全面的安全監控，可能會增加許多需要更多資源才能最佳化運作的項目。代理程式、日誌收集器與分析工具都相當耗用 CPU/Memory/Network，要在這與正式環境工作負載的效能需求之間取得平衡可能很困難。組織必須權衡其監控解決方案的資源成本，並加以調校，使其既有效率，又不會為了安全涵蓋範圍而浪費資源。

保護 Kubernetes 叢集的最佳實務

雖然 K8s 現已成為企業部署容器化應用程式的事實標準，但它們也伴隨自身的一系列安全挑戰。以下是一些可克服這些挑戰並保護 K8s 叢集的最佳實務：

#1. 控制平面保護

妥善保護 Kubernetes 控制平面，對於保護整個叢集至關重要。這表示要保護 API server、etcd 與其他控制平面元件，避免外部未經驗證的存取，並防禦潛在攻擊。企業可以在妥善管理的 API server 周邊加入強化實作，例如用戶端憑證、與外部 IDP 整合等。針對已知弱點更新並修補控制平面元件。

此外，應使用網路政策來限制控制平面元件的存取，其中應僅允許叢集內來自核准來源的流量進行連線。

#2. Pod 安全性標準

需要 Pod 安全性標準來保護在叢集中執行的工作負載。建立並套用 Pod 安全性政策（在 Kubernetes 1.25 中已淘汰），以限制容器中的權限與授權。只有控制器才應使用可存取主機命名空間的特權容器。

使用 Pod 安全性內容來管理使用者、群組和 fsGroup ID，以及檔案系統權限和 Linux 能力。對於需要更高隔離性的工作負載，請使用具安全性強化的容器執行階段，例如 gVisor 或 Kata Containers。隨著安全性持續演進，企業應相應檢視並調整 Pod 安全性政策，以滿足新的需求與最佳實務。

#3. 節點強化

若要保護您的叢集，您需要強化 Kubernetes 節點。這可透過縮小節點的攻擊面來達成（方法是將軟體與服務最小化）。更新節點作業系統與容器執行階段，以套用所有相關的安全性修補程式。使用強式存取控制與基於 SSH 金鑰驗證的節點存取管理。

善用主機型防火牆來控制傳入與傳出流量。使用 Seccomp 和 AppArmor 來限制系統呼叫，以在發生容器逃逸時縮小影響範圍。使用自動化安全性評估工具掃描節點中的弱點與錯誤設定。

#4. 對靜態 Secrets 進行加密

維護 Kubernetes Secrets 中憑證與其他敏感資料的機密性，對於避免未經授權的存取非常重要。首先從對 etcd 中的靜態資料進行加密開始。使用強式加密金鑰，並確保經常輪替。新增警示與通知，讓管理員在金鑰被更頻繁存取時能夠得知。

Secrets 的權限也應意味著只有獲准的使用者與服務才能取得敏感資訊。不要將 Secrets 保存在容器映像或 VCS 中。使用 Kubernetes Secrets 或外部秘密管理解決方案，在執行階段將其傳遞至 Pod。

#5. 部署網路分段

提升 Kubernetes 叢集安全性的常見做法是網路分段。使用網路政策來定義並強制執行叢集內 Pod 與 Pod 之間通訊的規則。預設強制執行最小權限原則，使 Pod 和服務僅在必要時彼此連線。使用網路政策將敏感工作負載隔離到專用命名空間中，並限制它們對叢集中其他區域的存取層級。

如何強化 Kubernetes 安全性？

在本節中，我們將討論企業為了最佳化 Kubernetes 環境中的營運而必須遵循的多種方法。

服務網格

服務網格可作為 Kubernetes 叢集的額外安全層。它是用於管理服務對服務通訊的層，並支援 TLS 加密，以及更細緻的存取控制與更佳的可觀測性。

CI/CD 管線

應從應用程式的 CI/CD 管線開始落實安全性。管線應具備直接整合的安全功能。這就是可加入自動化安全掃描（例如靜態程式碼分析、容器映像掃描和組態分析）之處，讓安全團隊能夠識別弱點。

適用於 Kubernetes 的零信任網路架構

零信任網路架構主張不信任任何對象，即使資源位於邊界內也是如此。因此在 Kubernetes 的情況下，此模型會將所有網路流量都視為威脅。這將有助於組織透過對所有可存取叢集的服務與使用者實施強式驗證與授權，建立安全的 Kubernetes 環境。

Kubernetes API Server 安全性

Kubernetes API Server 是 Kubernetes 的關鍵元素之一，因此為了整個叢集的安全性，必須加以保護。驗證與授權應透過 RBAC 來保護。不應允許來自不受信任網路的直接存取，並且應對 API server 進行稽核，以防止未經授權的進入點，從而避免安全漏洞。

結論

Kubernetes 安全性監控是維持容器化應用程式健康且安全環境運作的重要面向。組織正大量採用 Kubernetes 來管理容器化應用程式，而安全性是一項重要需求。在本文中，我們討論了 Kubernetes 安全性監控方法的許多面向、最佳實務的核心概念，以及進階安全方法。

以攻擊者視角進行安全性監控的方法，可協助組織更有效率地偵測與回應威脅、遵循產業標準，並維持 Kubernetes 叢集的安全。若使用適當的工具來實作上述安全控制（如部落格中所述），並在開發與營運團隊中建立安全優先文化，將可對 Kubernetes 的安全態勢產生重大影響。