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2022/11/24 14:46

基于业务场景的容器逃逸技术研究

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近年来,容器凭借能在任意环境中运行、开销低、秒级启动、镜像占用小等优势,越来越受世界各种行业追捧。但容器早期发展主要考虑易用性和功能实现,对安全考虑不是很充分,存在方方面面的安全隐患。随着容器化的重要性与日俱增,容器安全的重要性也在不断提高。作为一项依然处于发展阶段的新技术,容器的安全性在不断地提高,也在不断地受到挑战。在其面临的所有安全问题当中,逃逸问题稳居首位——它直接影响到了承载容器的底层基础设施的机密性、完整性和可用性,危害了底层宿主机和整个云计算系统的安全。本文针对容器逃逸技术做全面的讲解。

1、容器安全风险

在容器时代,安全面临新旧威胁的双重挑战。一方面,传统的攻击手段依然有效,如注入漏洞、暴力破解、权限提升等。另一方面,新的攻击方式层出不穷,包括容器逃逸、投毒镜像、集群管理漏洞等,让人防不胜防。

1.1 容器架构存在的主要安全风险

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图1 虚拟机 vs 容器

从图1中可以看出:

(1)容器没有hypervisor,安全性强依赖于Host OS内核,受内核漏洞影响;

(2)容器技术在OS层面实现了对计算机系统的虚拟化,在操作系统中,通过namespace技术对CPU、内存和文件系统等资源进行隔离、划分和控制,实现进程之间透明的资源使用,其安全性与内核隔离技术的成熟度强相关;

(3)要从虚拟机攻破到宿主机或其他虚拟机,需要先攻破Hypervisor层,这是极其困难的。而Docker容器与宿主机共享内核、文件系统等资源,更有可能对其他容器、宿主机产生影响。容器的隔离层次更少,攻击路径更短,攻击面更大,危及整个系统的安全。

1.2 从容器生命周期看容器的关键安全风险

Docker作为容器引擎的代表,其安全风险贯彻容器构建、部署、运行整个生命周期。例如,在构建阶段,可能会遇到的软件供应链攻击,包括基础镜像污染、CI工具攻击、制品库漏洞攻击等。在部署阶段也可能面临针对云原生基础设施平台的攻击,包括开源组件编排工具、安全合规检查等。在运行时阶段,还可能面临针对云原生应用的攻击,包括逃逸攻击、安全隔离、注入漏洞、弱口令等。

容器的生命周期短,动态变化快,超过50%容器从上线到下架的整个生命周期不超过1天。快速检测和响应容器入侵事件,把损失降到最低,成为了一大安全难题。

1.3 历年容器安全漏洞情况表明容器逃逸占比最高

在容器集群中,若攻陷一个容器,就可以横向移动到其它容器上,或者逃逸到node节点上进行持久化,控制整个节点。下一步,攻击者还可以通过漏洞利用或者调用API SERVER控制整个集群。容器的攻击价值高,俨然成为攻击者眼中“香饽饽”。

从图2容器安全问题分布及图3容器运行时入侵事件统计分布可以看出,容器逃逸是用户最关注的安全问题,同时也是业务场景中遇到的最多的安全问题。

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图2 容器安全问题分布

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图3 2021年容器运行时入侵事件统计分布

2、容器逃逸技术及原理

容器逃逸,是指“流氓”容器尝试突破正常隔离环境限制,借助一些手段获得容器所在的直接宿主机、宿主机上的其他容器或集群内其他主机、其他容器的某种权限下的命令执行能力,进行恶意攻击或执行越权访问的行为。容器逃逸漏洞可能打穿容器节点,甚至整个集群。

容器逃逸的前提是已经获得了容器内某种权限下的命令执行能力,然后捅破隔离。容器的隔离技术不是新发明的,它借助linux资源隔离的核心技术namespace来实现。

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图4 应用层容器逃逸原理分析

从图4可以得知,Linux内核先天的隔离性不足,尽管目前namespace已经提供了非常多的资源隔离类型如用户、进程、网络、挂载等,但除namespace外其它内核资源并未隔离或隔离不充分,其中包括一些系统关键性目录,攻击者可借助这些关键目录的敏感信息对宿主机发起攻击,使得容器逃逸到宿主机。

特权模式在6.0版本的时候被引入Docker,其核心作用是允许容器内的root拥有宿主机的root权限。使用特权模式启动容器后,Docker容器被允许访问宿主机上的所有设备、可以获取大量设备文件的访问权限、可以执行挂载操作。当Docker管理员将宿主机磁盘设备挂载进容器内部,即可获取对整个宿主机的文件读写权限,也可以通过写入计划任务等方式在宿主机执行命令,成功逃逸。

Linux内核自版本2.2引入了Capabilities机制,将传统的root用户的特权划分为30+个不同的单元,进行精细化管理。但如果Capabilities设置不正确,就会让攻击者有机可乘,实现权限提升。例如当容器以SYSADMIN启动,容器进程就被允许执行挂载等系统管理命令,如果攻击者此时再将外部设备目录挂载在容器中就会发生Docker逃逸。可见,Capabilities控制不当同样会引入容器逃逸,当前业界已识别SYSADMIN、DAC_READ_SEARCH、SYS_MODULE、SYS_PTRACE引入了逃逸漏洞。

3、基于业务的容器逃逸场景分析

通过对业界容器安全CVE漏洞的深入研究,产品业务场景中运行态的容器安全问题存在于多个薄弱环节,容器逃逸主要分布在应用层、服务层和系统层。

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图5 产品业务场景中识别的容器逃逸场景

应用层的逃逸,主要体现在特权模式与配置不当,如利用特权模式逃逸、借助Capabilities逃逸。为了方便容器与宿主机进行数据交换,几乎所有主流的解决方案都会提供挂载宿主机目录到容器的功能,由此而来的容器逃逸问题也呈上升趋势,当容器以读写形式挂载宿主机上的敏感文件如docker.sock时,从容器中逃逸出去易如反掌,手段也多种多样。再如攻击者借助容器的CAP_DAC_READ_SEARCH权限,采用著名的Shocker攻击方式,可在容器内逃逸读取到宿主机的shadow文件。

除了应用本身的脆弱性引入的攻击外,服务层集群、容器运行时本身的脆弱性问题也不容忽视。例如攻击者借助K8S的8080、6443未授权访问,可通过容器访问K8S master api进行恶意调用;参与到容器生态中的服务端、客户端程序自身存在的漏洞如runc、Containerd组件漏洞,同样可被攻击者恶意利用,使得容器内的用户获取到宿主机的控制权。

此外,从系统层面来看,Docker直接共享宿主机的内核,所以当宿主机内核存在安全漏洞时会一并影响Docker的安全,导致Docker容器逃逸漏洞。例如著名的脏牛漏洞CVE-2016-5195是Linux内核中的权限提升漏洞,通过它可实现容器逃逸,获得root权限的shell。

4、解决容器逃逸的方案

4.1 Docker自身安全性改进

容器发展早期,容器内的root等同于宿主机上的root,若容器被攻破或容器本身存在恶意程序时,在容器内就可以获取到宿主机的root权限。Docker 1.10版本,引入User Namespace技术进行用户隔离,可将容器内的root用户映射到宿主机上的非root用户,大大减轻了容器逃逸的风险。容器社区持续在努力将纵深防御、最小权限等理念和原则落地,因此建议尽可能使用最新版Docker。且使用最新版本Docker,已知的CVE漏洞都已修复,如更新Docker版本到19.03.1及更高版本,不再受CVE-2019-14271、CVE-2019-5736等漏洞影响。

4.2 安全配置及挂载

应用层大多容器相关漏洞,均由不安全配置或挂载引入。无论是细粒度权限控制还是其他安全机制,用户都可以通过修改容器环境配置或在运行容器时指定参数来调整。建议Docker容器或K8S pod启动时,做到:

(1)不以root权限运行Docker服务;

(2)不将宿主机敏感目录挂载至容器目录;

(3)不开启特权模式,如需添加相应的权限可单独添加;

(4)不赋予容器SYSADMIN、DAC_READ_SEARCH、SYS_MODULE、SYS_PTRACE等权限。

4.3 加强内核安全管理

Docker共享宿主机内核,内核安全漏洞会直接影响Docker安全,因此尽量安装最新补丁的主机内核版本,如Linux内核版本>=2.6.22解决了CVE-2016-5195(脏牛),Linux内核版本>=4.14解决了CVE-2017–1000405(大脏牛)。

4.4 使用安全加固组件

Linux的SELinux、AppArmor、GRSecurity组件都是Docker官方推荐的安全加固组件,这三个组件可以限制容器对主机的内核或其他资源的访问控制权限。下面介绍下这些安全加固组件:

(1)SELinux:是Linux的一个内核安全模块,提供了安全访问的策略机制,通过设置SELinux策略可以指定如何严格或宽松地进行检查,实现某些进程允许访问某些文件。

(2)AppArmor:类似于SELinux,也是一个Linux的内核安全模块,普通的访问控制仅能控制到用户的访问权限,而AppArmor可以控制到用户程序的访问权限,也能识别0day漏洞和未知的应用程序漏洞所导致的攻击。

(3)GRSecurity:是一个对内核的安全扩展,可通过智能访问控制,提供内存破坏防御,文件系统增强等多种防御形式。它提供了一些工具让用户配置、使用这些安全特性。

4.5 使用安全容器

容器有着轻便快速启动的优点,虚拟机有着安全隔离的优点,安全容器可以兼顾两者的优点,做到既轻量又安全。

安全容器与普通容器的主要区别在于,安全容器中的每个容器都运行在一个单独的微型虚拟机中,拥有独立的操作系统和内核,并且有虚拟机般的安全隔离性。

安全容器目前推荐的主流技术方案是Kata Containers,它并不包含一个完整的操作系统,只有一个精简版的Guest Kernel运行着容器本身的应用,可以通过使用共享内存来进一步减少内存的开销。另外,它还实现了OCI规范,可以直接使用Docker的镜像启动Kata容器,具有开销更小、秒级启动、安全隔离等许多优点。

总结

正如前文所述,容器已经成为黑客的重点攻击目标,而应用层的容器逃逸漏洞占比最高。容器在应用层的安全很大程度上取决于其配置的安全性,我们在业务场景中尤为重要的就是Capabilities的赋予,一定要做到权限最小化,丢弃没有用到的特权。借助Capabilities逃逸只是冰山一角,还有大量逃逸场景待进一步研究。尽管有些Capabilities当前还没有被恶意利用,但无法确保后续不会成为攻击者逃逸的手段,因此务必做到维持业务必须的最小权限。

权限过多,难免疏忽。权限最小化的同时也要参考业界最佳实践:启用User Namespace进行用户隔离并且以非root运行,这就好比使用预编译语句防御SQL注入,从根源上防御,切断所有的攻击路径,尽管这个方案可能对现有业务部署方案有大量的改动,但仍然应该成为容器防御的最终目标之一。

当前Docker的隔离性还远达不到虚拟机的水平,业务场景中应该避免把Docker容器当成虚拟机来使用,除非在虚拟机里部署容器,否则建议Docker容器里只跑可信应用。

中移系统集成有限公司智慧城市平台部

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