近年來，容器憑借能在任意環境中運行、開銷低、秒級啟動、鏡像占用小等優勢，越來越受世界各種行業追捧。但容器早期發展主要考慮易用性和功能實現，對安全考慮不是很充分，存在方方面面的安全隱患。隨著容器化的重要性與日俱增，容器安全的重要性也在不斷提高。作為一項依然處于發展階段的新技術，容器的安全性在不斷地提高，也在不斷地受到挑戰。在其面臨的所有安全問題當中，逃逸問題穩居首位——它直接影響到了承載容器的底層基礎設施的機密性、完整性和可用性，危害了底層宿主機和整個云計算系統的安全。本文針對容器逃逸技術做全面的講解。
1、容器安全風險
在容器時代，安全面臨新舊威脅的雙重挑戰。一方面，傳統的攻擊手段依然有效，如注入漏洞、暴力破解、權限提升等。另一方面，新的攻擊方式層出不窮，包括容器逃逸、投毒鏡像、集群管理漏洞等，讓人防不勝防。
1.1 容器架構存在的主要安全風險
圖1 虛擬機 vs 容器
從圖1中可以看出：
（1）容器沒有hypervisor，安全性強依賴于Host OS內核，受內核漏洞影響；
（2）容器技術在OS層面實現了對計算機系統的虛擬化，在操作系統中，通過namespace技術對CPU、內存和文件系統等資源進行隔離、劃分和控制，實現進程之間透明的資源使用，其安全性與內核隔離技術的成熟度強相關；
（3）要從虛擬機攻破到宿主機或其他虛擬機，需要先攻破Hypervisor層，這是極其困難的。而Docker容器與宿主機共享內核、文件系統等資源，更有可能對其他容器、宿主機產生影響。容器的隔離層次更少，攻擊路徑更短，攻擊面更大，危及整個系統的安全。
1.2 從容器生命周期看容器的關鍵安全風險
Docker作為容器引擎的代表，其安全風險貫徹容器構建、部署、運行整個生命周期。例如，在構建階段，可能會遇到的軟件供應鏈攻擊，包括基礎鏡像污染、CI工具攻擊、制品庫漏洞攻擊等。在部署階段也可能面臨針對云原生基礎設施平臺的攻擊，包括開源組件編排工具、安全合規檢查等。在運行時階段，還可能面臨針對云原生應用的攻擊，包括逃逸攻擊、安全隔離、注入漏洞、弱口令等。
容器的生命周期短，動態變化快，超過50%容器從上線到下架的整個生命周期不超過1天。快速檢測和響應容器入侵事件，把損失降到最低，成為了一大安全難題。
1.3 歷年容器安全漏洞情況表明容器逃逸占比最高
在容器集群中，若攻陷一個容器，就可以橫向移動到其它容器上，或者逃逸到node節點上進行持久化，控制整個節點。下一步，攻擊者還可以通過漏洞利用或者調用API SERVER控制整個集群。容器的攻擊價值高，儼然成為攻擊者眼中“香餑餑”。
從圖2容器安全問題分布及圖3容器運行時入侵事件統計分布可以看出，容器逃逸是用戶最關注的安全問題，同時也是業務場景中遇到的最多的安全問題。
圖2 容器安全問題分布
圖3 2021年容器運行時入侵事件統計分布
2、容器逃逸技術及原理
容器逃逸，是指“流氓”容器嘗試突破正常隔離環境限制，借助一些手段獲得容器所在的直接宿主機、宿主機上的其他容器或集群內其他主機、其他容器的某種權限下的命令執行能力，進行惡意攻擊或執行越權訪問的行為。容器逃逸漏洞可能打穿容器節點，甚至整個集群。
容器逃逸的前提是已經獲得了容器內某種權限下的命令執行能力，然后捅破隔離。容器的隔離技術不是新發明的，它借助linux資源隔離的核心技術namespace來實現。
圖4 應用層容器逃逸原理分析
從圖4可以得知，Linux內核先天的隔離性不足，盡管目前namespace已經提供了非常多的資源隔離類型如用戶、進程、網絡、掛載等，但除namespace外其它內核資源并未隔離或隔離不充分，其中包括一些系統關鍵性目錄，攻擊者可借助這些關鍵目錄的敏感信息對宿主機發起攻擊，使得容器逃逸到宿主機。
特權模式在6.0版本的時候被引入Docker，其核心作用是允許容器內的root擁有宿主機的root權限。使用特權模式啟動容器后，Docker容器被允許訪問宿主機上的所有設備、可以獲取大量設備文件的訪問權限、可以執行掛載操作。當Docker管理員將宿主機磁盤設備掛載進容器內部，即可獲取對整個宿主機的文件讀寫權限，也可以通過寫入計劃任務等方式在宿主機執行命令，成功逃逸。
Linux內核自版本2.2引入了Capabilities機制，將傳統的root用戶的特權劃分為30+個不同的單元，進行精細化管理。但如果Capabilities設置不正確，就會讓攻擊者有機可乘，實現權限提升。例如當容器以SYSADMIN啟動，容器進程就被允許執行掛載等系統管理命令，如果攻擊者此時再將外部設備目錄掛載在容器中就會發生Docker逃逸。可見，Capabilities控制不當同樣會引入容器逃逸，當前業界已識別SYSADMIN、DAC_READ_SEARCH、SYS_MODULE、SYS_PTRACE引入了逃逸漏洞。
3、基于業務的容器逃逸場景分析
通過對業界容器安全CVE漏洞的深入研究，產品業務場景中運行態的容器安全問題存在于多個薄弱環節，容器逃逸主要分布在應用層、服務層和系統層。
圖5 產品業務場景中識別的容器逃逸場景
應用層的逃逸，主要體現在特權模式與配置不當，如利用特權模式逃逸、借助Capabilities逃逸。為了方便容器與宿主機進行數據交換，幾乎所有主流的解決方案都會提供掛載宿主機目錄到容器的功能，由此而來的容器逃逸問題也呈上升趨勢，當容器以讀寫形式掛載宿主機上的敏感文件如docker.sock時，從容器中逃逸出去易如反掌，手段也多種多樣。再如攻擊者借助容器的CAP_DAC_READ_SEARCH權限，采用著名的Shocker攻擊方式，可在容器內逃逸讀取到宿主機的shadow文件。
除了應用本身的脆弱性引入的攻擊外，服務層集群、容器運行時本身的脆弱性問題也不容忽視。例如攻擊者借助K8S的8080、6443未授權訪問，可通過容器訪問K8S master api進行惡意調用；參與到容器生態中的服務端、客戶端程序自身存在的漏洞如runc、Containerd組件漏洞，同樣可被攻擊者惡意利用，使得容器內的用戶獲取到宿主機的控制權。
此外，從系統層面來看，Docker直接共享宿主機的內核，所以當宿主機內核存在安全漏洞時會一并影響Docker的安全，導致Docker容器逃逸漏洞。例如著名的臟牛漏洞CVE-2016-5195是Linux內核中的權限提升漏洞，通過它可實現容器逃逸，獲得root權限的shell。
4、解決容器逃逸的方案
4.1 Docker自身安全性改進
容器發展早期，容器內的root等同于宿主機上的root，若容器被攻破或容器本身存在惡意程序時，在容器內就可以獲取到宿主機的root權限。Docker 1.10版本，引入User Namespace技術進行用戶隔離，可將容器內的root用戶映射到宿主機上的非root用戶，大大減輕了容器逃逸的風險。容器社區持續在努力將縱深防御、最小權限等理念和原則落地，因此建議盡可能使用最新版Docker。且使用最新版本Docker，已知的CVE漏洞都已修復，如更新Docker版本到19.03.1及更高版本，不再受CVE-2019-14271、CVE-2019-5736等漏洞影響。
4.2 安全配置及掛載
應用層大多容器相關漏洞，均由不安全配置或掛載引入。無論是細粒度權限控制還是其他安全機制，用戶都可以通過修改容器環境配置或在運行容器時指定參數來調整。建議Docker容器或K8S pod啟動時，做到：
（1）不以root權限運行Docker服務；
（2）不將宿主機敏感目錄掛載至容器目錄；
（3）不開啟特權模式，如需添加相應的權限可單獨添加；
（4）不賦予容器SYSADMIN、DAC_READ_SEARCH、SYS_MODULE、SYS_PTRACE等權限。
4.3 加強內核安全管理
Docker共享宿主機內核，內核安全漏洞會直接影響Docker安全，因此盡量安裝最新補丁的主機內核版本，如Linux內核版本>=2.6.22解決了CVE-2016-5195(臟牛)，Linux內核版本>=4.14解決了CVE-2017–1000405(大臟牛)。
4.4 使用安全加固組件
Linux的SELinux、AppArmor、GRSecurity組件都是Docker官方推薦的安全加固組件，這三個組件可以限制容器對主機的內核或其他資源的訪問控制權限。下面介紹下這些安全加固組件：
（1）SELinux：是Linux的一個內核安全模塊，提供了安全訪問的策略機制，通過設置SELinux策略可以指定如何嚴格或寬松地進行檢查，實現某些進程允許訪問某些文件。
（2）AppArmor：類似于SELinux，也是一個Linux的內核安全模塊，普通的訪問控制僅能控制到用戶的訪問權限，而AppArmor可以控制到用戶程序的訪問權限，也能識別0day漏洞和未知的應用程序漏洞所導致的攻擊。
（3）GRSecurity：是一個對內核的安全擴展，可通過智能訪問控制，提供內存破壞防御，文件系統增強等多種防御形式。它提供了一些工具讓用戶配置、使用這些安全特性。
4.5 使用安全容器
容器有著輕便快速啟動的優點，虛擬機有著安全隔離的優點，安全容器可以兼顧兩者的優點，做到既輕量又安全。
安全容器與普通容器的主要區別在于，安全容器中的每個容器都運行在一個單獨的微型虛擬機中，擁有獨立的操作系統和內核，并且有虛擬機般的安全隔離性。
安全容器目前推薦的主流技術方案是Kata Containers，它并不包含一個完整的操作系統，只有一個精簡版的Guest Kernel運行著容器本身的應用，可以通過使用共享內存來進一步減少內存的開銷。另外，它還實現了OCI規范，可以直接使用Docker的鏡像啟動Kata容器，具有開銷更小、秒級啟動、安全隔離等許多優點。
總結
正如前文所述，容器已經成為黑客的重點攻擊目標，而應用層的容器逃逸漏洞占比最高。容器在應用層的安全很大程度上取決于其配置的安全性，我們在業務場景中尤為重要的就是Capabilities的賦予，一定要做到權限最小化，丟棄沒有用到的特權。借助Capabilities逃逸只是冰山一角，還有大量逃逸場景待進一步研究。盡管有些Capabilities當前還沒有被惡意利用，但無法確保后續不會成為攻擊者逃逸的手段，因此務必做到維持業務必須的最小權限。
權限過多，難免疏忽。權限最小化的同時也要參考業界最佳實踐：啟用User Namespace進行用戶隔離并且以非root運行，這就好比使用預編譯語句防御SQL注入，從根源上防御，切斷所有的攻擊路徑，盡管這個方案可能對現有業務部署方案有大量的改動，但仍然應該成為容器防御的最終目標之一。
當前Docker的隔離性還遠達不到虛擬機的水平，業務場景中應該避免把Docker容器當成虛擬機來使用，除非在虛擬機里部署容器，否則建議Docker容器里只跑可信應用。
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