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Docker Linux安全技术简介

每个优秀的容器平台都应该使用命名空间和控制组技术来构建容器。最佳的容器平台还会集成其他容器安全技术,例如系统权限、强制访问控制系统(如 SELinux 和 AppArmor)以及安全计算。正如用户所期望的,Docker 中集成了上述全部安全技术!

下面主要对 Docker 中用到的主要 Linux 技术进行简要介绍。

Namespace

内核命名空间属于容器中非常核心的一部分! 该技术能够将操作系统(OS)进行拆分,使一个操作系统看起来像多个互相独立的操作系统一样。

这种技术可以用来做一些非常酷的事情,比如在相同的 OS 上运行多个 Web 服务,同时还不存在端口冲突的问题。该技术还允许多个应用运行在相同 OS 上并且不存在竞争,同时还能共享配置文件以及类库。

举两个简单的例子。

用户可以在相同的 OS 上运行多个 Web 服务,每个端口都是 443。为了实现该目的,可以将两个 Web 服务应用分别运行在自己的网络命名空间中。这样可以生效的原因是每个网络命名空间都拥有自己的 IP 地址以及对应的全部端口。

也可能需要将每个 IP 映射到 Docker 主机的不同端口之上,但是使用 IP 上的哪个端口则无须其他额外配置。

用户还可以运行多个应用,应用间共享类库和配置文件,但是版本可能不同。为了实现该目标,需要在自己的挂载命名空间中运用每个应用程序。这样做能生效的原因,是每个挂载命名空间内都有系统上任意目录的独立副本。

下图展示了一个抽象的例子,两个应用运行在相同的主机上,并且同时使用 443 端口。每个 Web 服务应用都运行在自己的网络命名空间之内。

两个应用运行在相同主机并同时使用443端口

Linux Docker 现在利用了下列内核命名空间。
  • 进程ID(PID)。
  • 网络(NET)。
  • 文件系统/挂载(MNT)。
  • 进程内通信(IPC)。
  • 用户(USER)。
  • UTS。

下面会简要介绍每种技术都做了些什么。但重要的是要理解,Docker 容器是由各种命名空间组合而成的。再次强调一遍,Docker 容器本质就是命名空间的有组织集合。

例如,每个容器都由自己的 PID、NET、MNT、IPC、UTS 构成,还可能包括 USER 命名空间。这些命名空间有机的组合就是所谓的容器。下图展示了两个运行在相同 Linux 主机上的容器。

两个容器运行在相同的Linux主机上

接下来简要介绍一下 Docker 是如何使用每个命名空间的。

1) 进程 ID 命名空间

Docker 使用 PID 命名空间为每个容器提供互相独立的容器树。每个容器都拥有自己的进程树,意味着每个容器都有自己的 PID 为 1 的进程。PID 命名空间也意味着容器不能看到其他容器的进程树,或者其所在主机的进程树。

2) 网络命名空间

Docker 使用 NET 命名空间为每个容器提供互相隔离的网络栈。网络栈中包括接口、ID 地址、端口地址以及路由表。例如,每个容器都有自己的 eth0 网络接口,并且有自己独立的 IP 和端口地址。

3) 挂载点命名空间

每个容器都有互相隔离的根目录 /。这意味着每个容器都有自己的 /etc、/var、/dev 等目录。容器内的进程不能访问 Linux 主机上的目录,或者其他容器的目录,只能访问自己容器的独立挂载命名空间。

4) 进程内通信命名空间

Docker 使用 IPC 命名空间在容器内提供共享内存。IPC 提供的共享内存在不同容器间也是互相独立的。

5) 用户命名空间

Docker 允许用户使用 USER 命名空间将容器内用户映射到 Linux 主机不同的用户上。常见的例子就是将容器内的 root 用户映射到 Linux 主机的非 root 用户上。用户命名空间对于 Docker 来说还属于新生事物且非必选项。该部分内容在未来可能出现改变。

6) UTS 命名空间

Docker 使用 UTS 命名空间为每个容器提供自己的主机名称。

如下图所示,容器本质就是命名空间的有机组合!

容器是命名空间的有机组合

Control Group

如果说命名空间用于隔离,那么控制组就是用于限额。

假设容器就是酒店中的房间。每个容器间都是互相独立的,但是每个房间都共享一部分公共资源,比如供应水电、共享游泳池、共享健身、共享早餐餐吧等。

CGroup 允许用户设置一些限制(以酒店作为类比)来保证不会存在单一容器占用全部的公共资源,如用光全部水或者吃光早餐餐吧的全部食物。

抛开酒店的例子,在 Docker 的世界中,容器之间是互相隔离的,但却共享 OS 资源,比如 CPU、RAM 以及硬盘 I/O。CGroup 允许用户设置限制,这样单个容器就不能占用主机全部的 CPU、RAM 或者存储 I/O 资源了。

Capability

以 root 身份运行容器不是什么好主意,root 拥有全部的权限,因此很危险。但是,如果以非 root 身份在后台运行容器的话,非 root 用户缺少权限,处处受限。所以用户需要一种技术,能选择容器运行所需的 root 用户权限。了解一下 Capability!

在底层,Linux root 用户是由许多能力组成的。其中一部分包括以下几点。
  • CAP_CHOWN:允许用户修改文件所有权。
  • CAP_NET_BIND_SERVICE:允许用户将socket绑定到系统端口号。
  • CAP_SETUID:允许用户提升进程优先级。
  • CAP_SYS_BOOT:允许用户重启系统。

Docker 采用 Capability 机制来实现用户在以 root 身份运行容器的同时,还能移除非必须的 root 能力。如果容器运行只需要 root 的绑定系统网络端口号的能力,则用户可以在启动容器的同时移除全部 root 能力,然后再将 CAP_NET_BIND_SERVICE 能力添加回来。

MAC

Docker 采用主流 Linux MAC 技术,例如 AppArmor 以及 SELinux。

基于用户的 Linux 发行版本,Docker 对新容器增加了默认的 AppArmor 配置文件。根据 Docker 文档的描述,默认配置文件提供了“适度的保护,同时还能兼容大部分应用”。

Docker 允许用户在启动容器的时候不设置相应策略,还允许用户根据需求自己配置合适的策略。

Seccomp

Docker 使用过滤模式下的 Seccomp 来限制容器对宿主机内核发起的系统调用。

按照 Docker 的安全理念,每个新容器都会设置默认的 Seccomp 配置,文件中设置了合理的默认值。这样做是为了在不影响应用兼容性的前提下,提供适度的安全保障。

用户同样可以自定义 Seccomp 配置,同时也可以通过向 Docker 传递指定参数,使 Docker 启动时不设置任何 Seccomp 配置。

Linux 安全技术总结

Docker 基本支持所有的 Linux 重要安全技术,同时对其进行封装并赋予合理的默认值,这在保证了安全的同时也避免了过多的限制,如下图所示。

Docker支持Linux重要安全技术

自定义设置某些安全技术会非常复杂,因为这需要用户深入理解安全技术的运作原理,同时还要了解 Linux 内核的工作机制。希望这些技术在未来能够简化配置的过程,但就现阶段而言,使用 Docker 在对安全技术的封装中提供的默认值是很不错的选择。

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