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Docker安全特性有哪些

Docker 平台还引入了大量自有安全技术。Swarm 模式基于 TLS 构建,并且配置上极其简单灵活。安全扫描对镜像进行二进制源码级别扫描,并提供已知缺陷的详细报告。

Docker 内容信任允许用户对内容进行签名和认证,密钥目前也是 Docker 中的一等公民。Docker 为这些安全技术设定了合理的默认值,但是用户也可以自行修改配置,或者禁用这些安全技术。

Swarm 模式

Swarm 模式是 Docker 未来的趋势。Swarm 模式支持用户集群化管理多个 Docker 主机,同时还能通过声明式的方式部署应用。

每个 Swarm 都由管理者和工作者节点构成,节点可以是 Linux 或者 Windows。管理者节点构成了集群中的控制层,并负责集群配置以及工作负载的分配。工作者节点就是运行应用代码的容器。

正如所预期的,Swarm 模式包括很多开箱即用的安全特性,同时还设置了合理的默认值。这些安全特性包括以下几点。
  • 加密节点 ID。
  • 基于 TLS 的认证机制。
  • 安全准入令牌。
  • 支持周期性证书自动更新的 CA 配置。
  • 加密集群存储(配置 DB)。
  • 加密网络。

接下来将详细介绍如何构建安全的 Swarm,以及如何进行安全相关的配置。

为了完成下面的内容,需要至少 3 个 Docker 主机,每个都运行 1.13 或者更高版本的 Docker。示例中 3 个 Docker 主机分别叫作“mgr1”“mgr2”“wrk1”。

每台主机上都安装 Ubuntu 16.04,其上运行了 Docker 18.01.0-ce。同时还有一个网络负责联通 3 台主机,并且主机之间可以通过名称互相 ping 通。安装完成后如下图所示。

3个Docker主机

配置安全的 Swarm 集群

可以在其 Swarm 集群管理者节点上运行下面的命令。在本例中,命令运行于“mgr1”节点之上。

$ docker swarm init
Swarm initialized: current node (7xam...662z) is now a manager.

To add a worker to this swarm, run the following command:

docker swarm join --token \
SWMTKN-1-1dmtwu...r17stb-ehp8g...hw738q 172.31.5.251:2377

To add a manager to this swarm, run 'docker swarm join-token manager'
and follow the instructions.

上面的命令就是配置安全 Swarm 集群所要做的全部工作!

“mgr1”被配置为 Swarm 集群中的第一个管理节点,也是根 CA 节点。Swarm 集群已经被赋予了加密 Swarm ID,同时“mgr1”节点为自己发布了一个客户端认证信息,标明自己是Swarm集群管理者。

证书的更新周期默认设置为 90 天,集群配置数据库也已经配置完成并且处于加密状态。安全令牌也已经成功创建,允许新的管理者和工作者节点加入到 Swarm 集群中。

实验环境如下图所示。

实验环境

现在将“mgr2”节点加入到集群中,作为额外的管理者节点。

将新的管理者节点加入到 Swarm 需要两步。第一步,需要提取加入管理者到集群中所需的令牌;第二步,在“mgr2”节点上执行 docker swarm join 命令。只要将管理者准入令牌作为 docker swarm join 命令的一部分,“mgr2”就作为管理者节点加入 Swarm。

在“mgr1”上运行下面的命令获取管理者准入令牌。

$ docker swarm join-token manager
To add a manager to this swarm, run the following command:

docker swarm join --token \
SWMTKN-1-1dmtwu...r17stb-2axi5...8p7glz \
172.31.5.251:2377

命令输出内容给出了管理者加入 Swarm 所需运行的准确命令。准入令牌和 IP 地址在读者自己的实验环境中是不一样的。

复制该命令并在“mgr2”节点上运行。

$ docker swarm join --token SWMTKN-1-1dmtwu...r17stb-2axi5...8p7glz \
> 172.31.5.251:2377

This node joined a swarm as a manager.

“mgr2”现在已经作为另一个管理者加入 Swarm。

join 命令的格式是 docker swarm join --token <manager-join-token> <ip-of-existing-manager>:<swarm-port>

可以通过在任意管理者节点上运行 docker node ls 命令来确认上述操作。

$ docker node ls
ID HOSTNAME STATUS AVAILABILITY MANAGER STATUS
7xamk...ge662z mgr1 Ready Active Leader
i0ue4...zcjm7f * mgr2 Ready Active Reachable

上述输出内容中显示“mgr1”和“mgr2”都加入了 Swarm,并且都是 Swarm 管理者。最新的配置如下图所示。

“mgr1”和“mgr2”都加入了Swarm

两个管理者这个数量,大概是最糟糕的一种情况了。但是这只是一个实验环境,而不是什么核心业务生产环境,所以糟糕点也无所谓。

向 Swarm 中加入工作者也只需两步。第一步需要获取新工作者的准入令牌,第二步是在工作者节点上运行 docker swarm join 命令。

在任意管理者节点上运行下面的命令,获取工作者准入令牌。

$ docker swarm join-token worker

To add a worker to this swarm, run the following command:

docker swarm join --token \
SWMTKN-1-1dmtw...17stb-ehp8g...w738q \
172.31.5.251:2377

可以在指定工作者的节点上运行该命令。准入令牌和 IP 地址会有所不同。

复制如下所示命令到“wrk1”上并且运行。

$ docker swarm join --token SWMTKN-1-1dmtw...17stb-ehp8g...w738q \
> 172.31.5.251:2377

This node joined a swarm as a worker.

在任意 Swarm 管理者上运行 docker node ls 命令。

$ docker node ls
ID HOSTNAME STATUS AVAILABILITY MANAGER STATUS
7xamk...ge662z * mgr1 Ready Active Leader
ailrd...ofzv1u wrk1 Ready Active
i0ue4...zcjm7f mgr2 Ready Active Reachable

目前已经拥有包含两个管理者和一个工作者的 Swarm 集群。管理者配置为高可用(HA),并且复用集群存储。最新的配置如下图所示。

将管理者配置为高可用(HA)

了解 Swarm 安全背后的原理

到目前为止,已经成功搭建了安全的 Swarm 集群。接下来一起花费几分钟了解一下这背后涉及的安全技术。

1) Swarm 准入令牌

向某个现存的 Swarm 中加入管理者和工作者所需的唯一凭证就是准入令牌。因此,保证准入令牌的安全十分关键!不要将其发布到公开的 Github 仓库中。

每个 Swarm 都包含两种不同准入令牌。管理者所需准入令牌和工作者所需准入令牌。

有必要理解 Swarm 准入令牌的格式。每个准入令牌都由 4 个不同的字段构成,中间采用虚线(-)连接。

PREFIX - VERSION - SWARM ID - TOKEN

PREFIX 永远是“SWMTKN”,这样允许工作者通过表达式匹配到该令牌,以避免意外将其发布到公共环境当中;VERSION 这一列则展示了 Swarm 的版本信息;SWARM ID 列是 Swarm 认证信息的一个哈希值;TOKEN 这一列的内容决定了该令牌是管理者还是工作者的准入令牌。

如下所示,对于指定 Swarm 的管理者和工作者准入令牌,除了最后 TOKEN 字段的内容之外没有任何区别。
  • 管理者:SWMTKN-1-1dmtwusdc...r17stb-2axi53zjbs45lqxykaw8p7glz。
  • 工作者:SWMTKN-1-1dmtwusdc...r17stb-ehp8gltji64jbl45zl6hw738q。

如果用户认为当前准入令牌存在风险,仅用一条命令就可以取消该准入令牌授权,同时发布新的准入令牌。在下面的示例中,取消了已经授权的管理者准入令牌,之后又发布了新的令牌。

$ docker swarm join-token --rotate manager

Successfully rotated manager join token.

To add a manager to this swarm, run the following command:

docker swarm join --token \
SWMTKN-1-1dmtwu...r17stb-1i7txlh6k3hb921z3yjtcjrc7 \
172.31.5.251:2377

需要注意的是,新旧令牌只有最后字段存在区别。SWARM ID 还是相同的。准入令牌保存在集群配置的数据库中,默认是加密的。

2) TLS 和双向认证

每个加入 Swarm 的管理者和工作者节点,都需要发布自己的客户端证书。这个证书用于双向认证。证书中定义了节点相关信息,包括从属的 Swarm 集群以及该节点在集群中的身份(管理者还是工作者)。

在 Linux 主机上,可以指定使用下面的命令查看指定节点的客户端证书。

$ sudo openssl x509 \
-in /var/lib/docker/swarm/certificates/swarm-node.crt \
-text

Certificate:
Data:
Version: 3 (0x2)
Serial Number:
80:2c:a7:b1:28...a8:af:89:a1:2a:51:89
Signature Algorithm: ecdsa-with-SHA256
Issuer: CN=swarm-ca
Validity
Not Before: Jul 19 07:56:00 2017 GMT
Not After : Oct 17 08:56:00 2017 GMT
Subject: O=mfbkgjm2tlametbnfqt2zid8x, OU=swarm-manager,
CN=7xamk8w3hz9q5kgr7xyge662z
Subject Public Key Info:
<SNIP>

上述输出中,Subject 中用到了 O、OU 以及 CN 字段分别表示 Swarm ID、节点角色以及节点 ID 信息。

组织字段 O 保存的是 Swarm ID。组织单元字段 OU 保存的是节点在 Swarm 中的角色。规范名称字段 CN 保存的是节点的加密 ID。如下图所示。

Subject中使用的字段

在 Validity 中,还可以直接看到证书的更新周期。

上述信息可以在 docker system info 命令的输出中得到验证。

<< Relates to the CN field Is<< Relates to the OU field<< Relates to the O field ...<< Relates to Validity field

3) 配置一些 CA 信息

通过 docker swarm update 命令可以配置 Swarm 证书的更新周期。下面的示例中,将 Swarm 的证书更新周期修改为 30 天。

$ docker swarm update --cert-expiry 720h

Swarm 允许节点在证书过期前重新创建证书,这样可以保证 Swarm 中全部节点不会在同一时间尝试更新自己的证书信息。

可以在创建 Swarm 的时候,通过在 docker swarm init 命令中增加 --external-ca 参数来指定外部的 CA。docker swarm ca 命令可以用于管理 CA 相关配置。可以在运行该命令时指定 --help 来查看命令功能。

$ docker swarm ca --help

Usage: docker swarm ca [OPTIONS]

Manage root CA

Options:
--ca-cert pem-file Path to the PEM-formatted root CA
certificate to use for the new cluster Path
--ca-key pem-file to the PEM-formatted root CA
key to use for the new cluster
--cert-expiry duration Validity period for node certificates
(ns|us|ms|s|m|h) (default 2160h0m0s)
-d, --detach Exit immediately instead of waiting for the
root rotation to converge Specifications of
--external-ca external-ca one or more certificate signing endpoints
Print usage
--help Suppress progress output
-q, --quiet Rotate the swarm CA - if no certificate
--rotate or key are provided, new ones will be gene\

4) 集群存储

集群存储是 Swarm 的大脑,保存了集群配置和状态数据。存储目前是基于 etcd 的某种实现,并且会在 Swarm 内所有管理者之间自动复制。存储默认也是加密的。

集群存储正逐渐成为很多 Docker 平台的关键技术。例如,Docker 网络和 Docker 密钥都用到了集群存储。

Docker 平台的很多部分都已经用到了集群存储,未来对集群存储的利用会更多,而这也是 Swarm 模式在 Docker 规划中占据重要地位的原因之一。这还意味着,如果不使用 Swarm 模式运行 Docker,很多 Docker 特性就无法使用。

集群存储的日常维护由 Docker 自动完成。但是,在生产环境中,需要为集群存储提供完整的备份和恢复方案。

Swarm 模式安全部分的内容到此为止。

Docker 安全扫描

快速发现代码缺陷的能力至关重要。Docker 安全扫描功能使得对 Docker 镜像中已知缺陷的检测工作变得简单。

Docker 安全扫描已经可以用于 Docker Hub 上私有仓库的镜像了。同时该技术还可以作为 Docker 可信服务本地化部署解决方案的一部分。最后,所有官方 Docker 镜像都经过了安全扫描,扫描报告在其仓库中可以查阅。

Docker 安全扫描对 Docker 镜像进行二进制代码级别的扫描,对其中的软件根据已知缺陷数据库(CVE 数据库)进行检查。在扫描执行完成后,会生成一份详细报告。

打开浏览器访问 Docker Hub,并搜索 Alpine 仓库。下图展示了官方 Alpine 仓库的 Tags 标签页。

官方Alpine仓库的Tags标签页

Alpine 仓库是官方仓库,这意味着该仓库会自动扫描并生成对应报告。可以看到,镜像标签为 edge、lates 以及 3.6 的镜像都通过了已知缺陷的检查。但是 alpine:3.5 镜像存在已知缺陷(标红)。

如果打开 alpine:3.5 镜像,可以发现如下图所示的详细信息。

alpine:3.5镜像的详细信息

这是发现自己软件中已知缺陷详情的一种简单方式。

Docker 可信镜像仓库服务(Docker Trusted Registry, DTR),属于 Docker 企业版中本地化镜像仓库服务的一部分内容,提供了相同的 Capability,同时还允许用户自行控制其镜像扫描时机以及扫描方式。

例如,DTR 允许用户选择镜像是在推送时自动触发扫描,还是只能手工触发。同时 DTR 还允许用户手动更新 CVE 数据库,这对于 DTL 无法进行联网来自动更新 CVE 数据的场景来说,是一种理想的解决方案。

这就是 Docker 安全扫描,一种深入检测 Docker 镜像是否存在已知安全缺陷的好方式。当然,能力越大责任越大,当用户发现缺陷后,就需要承担解决相应缺陷的责任了。

Docker 内容信任

Dockr 内容信任(Docker Content Trust,DCT)使得用户很容易就能确认所下载镜像的完整性以及其发布者。在不可信任的网络环境中下载镜像时,这一点很重要。

从更高层面来看,DCT 允许开发者对发布到 Docker Hub 或者 Docker 可信服务的镜像进行签名。当这些镜像被拉取的时候,会自动确认签名状态。下图展示了这一过程。

镜像被拉取时自动确认签名状态

DCT 还可以提供关键上下文,如镜像是否已被签名从而可用于生产环境,镜像是否被新版本取代而过时等。

DTC 提供的上下文还在初期,配置起来相当复杂。在 Docker 主机上启用 DCT 功能,所要做的只是在环境中将 DOCKER_CONTENT_TRUST 变量设置为 1。

$ export DOCKER_CONTENT_TRUST=1

在实际环境中,用户可能希望在系统中默认开启该特性。

如果使用 Docker 统一配置层(Docker 企业版的一部分),需要勾选下图所示 Run Only Signed Images 复选项。这样会强制所有在 UCP 集群中的节点只运行已签名镜像。

勾选Only run signed images复选项

由上图中可知,UCP 在 DCT 的基础上进行进一步封装,提供了已签名镜像的安全首选项信息。例如,用户可能有这样的需求:在生产环境中只能使用由 secops 签名的镜像。

一旦 DCT 功能开启,就不能获取并使用未签名镜像了。下图展示了开启 DCT 之后,如果再次尝试通过 Docker CLI 或者 UCP Web UI 界面拉取未签名镜像时所报的错误(两个示例都尝试拉取标签为“unsigned”的镜像)。

拉取未签名镜像时报错

下图展示了 DCT 是如何阻止 Docker 客户端拉取一个被篡改的镜像的。

拉取被篡改的镜像

下图展示了 DCT 如何阻止客户端拉取旧镜像。

拉取旧镜像

Docker 内容信任是一种很重要的技术,能帮助用户检查从 Docker 服务中拉取的镜像。该技术的基础模式配置起来非常简单,但是类似上下文等一些高级特性,现阶段配置起来还是非常复杂的。

Docker 密钥

很多应用都需要密钥。比如密码、TLS 证书、SSH key 等。

在 Docker1.13 版本之前,没有一种标准且安全的方式能让密钥在应用间实现共享。常见的方式是开发人员将密钥以文本的方式写入环境变量。这与理想状态差距甚远。

Docker1.13 引入了 Docker 密钥,将密钥变成 Docker 生态系统中的一等公民。例如,增加了一个新的子命令 docker secret 来管理密钥。在 Docker 的 UCP 界面中,也有专门的地方来创建和管理密钥。

在后台,密钥在创建后以及传输中都是加密的,使用时被挂载到内存文件系统,并且只对那些已经被授权了的服务开放访问。这确实是一种综合性的端到端解决方案。

下图展示了其总体流程。

引入Docker密钥

下面依次介绍上图中所示工作流的每一步。

1) 密钥被创建,并且发送到 Swarm。

2) 密钥存放在集群存储当中,并且是加密的(每个管理者节点都能访问集群存储)。

3) B 服务被创建,并且使用了该密钥。

4) 密钥传输到 B 服务的任务节点(容器)的过程是加密的。

5) B 服务的容器将密钥解密并挂载到路径 /run/secrets 下。这是一个临时的内存文件系统(在 Windows Docker 中该步骤有所不同,因为 Windows 中没有内存文件系统这个概念)。

6) 一旦容器(服务任务)完成,内存文件系统关闭,密钥也随之删除。

7) A 服务中的容器不能访问该密钥。

用户可以通过 docker secret 子命令来管理密钥,可以通过在运行 docker service create 命令时附加 --secret,从而为某个服务指定密钥。

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