容器安全拾遗 - Rootless Container初探
摘要： Docker和Kubernetes已经成为企业IT架构的基础设施，安全容器运行时越来越被关注。近期Docker 19.03中发布了一个重要的特性 “Rootless Container”，在提升容器的安全隔离性和可管理性方面前进了一大步。
近期Docker 19.03中发布了一个重要的特性 “Rootless Container支持”。趁着五一假期，快速验证一下。本文参考了Experimenting with Rootless Docker 一文的内容，并且补充了更多的细节和上手内容。
Rootless容器背景与架构
Docker和Kubernetes已经成为企业IT架构的基础设施，其自身安全越来越被关注。Docker基于Linux操作系统提供了应用虚拟化能力，通过namespace, cgroup实现了资源的隔离和配额约束。Docker Engine是一个典型的 Client-Server 结构：
Docker Client (TCP/Unix Socket) -> Docker Daemon (Parent/Child Processes) -> Container
由于Linux需要特权用户来创建namespace，挂载分层文件系统等，所以 Docker Daemon 一直以来是以root用户来运行的。这也导致了有Docker访问权限的用户可以通过连接Docker Engine获取root权限，而且可以绕开系统的审计能力对系统进行攻击。这阻碍了容器在某些场景的应用：比如在高性能计算领域，由于传统的资源管理和调度系统需要非特权用户来运行容器，社区实现了另外的容器运行时Singularity 。
Moby社区的 Akihiro Suda，为Docker Engine和Buildkit贡献了rootless容器支持，让Docker Engine以非特权用户方式运行，更好地复用Linux的安全体系。
注意：
- 目前rootless容器还在实验阶段，cgroups 资源控制, apparmor安全配置, checkpoint/restore等能力还不支持。
- 目前只有Ubuntu提供了在rootless模式下对overlay fs的支持，由于安全顾虑，这个方案尚未得到upstream的支持。其他操作系统需要利用VFS存储驱动，有一定性能影响，并不适合I/O密集型应用。
Rootless容器有几个核心技术
首先是利用 user namespaces 将容器中的root用户uid/gid映射到宿主机的非特权用户范围内。Docker Engine已经提供了 --userns-remap 标志支持了相关能力，提升了容器的安全隔离性。Rootless容器在此之上，让Docker daemon也运行在重映射的用户名空间中。
其次，虽然Linux中的非特权用户可以在用户名空间中创建网络名空间，并且执行iptables规则管理和tcpdump等操作，然而非特权用户无法在宿主机和容器之间创建veth pairs, 这也意味着容器没有外网访问能力。为了解决这个问题，Akihiro 利用用户态的网络“SLiRP”，通过一个TAP设备连接到非特权用户名空间，为容器提供外网连接能力。其架构如下
相关细节请参考，slirp4netns项目
环境准备
本文在一台 CentOS 7.6的虚拟机上进行的验证
创建用户
$ useradd moby
$ passwd moby
将新建用户添加到 sudoers 组
usermod -aG wheel moby
切换到非特权用户
$ su - moby
$ id
uid=1000(moby) gid=1000(moby) groups=1000(moby),10(wheel)
进行uid/gid映射配置
$ echo "moby:100000:65536" | sudo tee /etc/subuid
$ echo "moby:100000:65536" | sudo tee /etc/subgid
安装Rootless Docker
$ curl -sSL https://get.docker.com/rootless | sh
如果第一次安装，需要安装所需软件包
$ curl -sSL https://get.docker.com/rootless | sh
# Missing system requirements. Please run following commands to
# install the requirements and run this installer again.
# Alternatively iptables checks can be disabled with SKIP_IPTABLES=1
cat <<EOF | sudo sh -x
curl -o /etc/yum.repos.d/vbatts-shadow-utils-newxidmap-epel-7.repo https://copr.fedorainfracloud.org/coprs/vbatts/shadow-utils-newxidmap/repo/epel-7/vbatts-shadow-utils-newxidmap-epel-7.repo
yum install -y shadow-utils46-newxidmap
cat <<EOT > /etc/sysctl.d/51-rootless.conf
user.max_user_namespaces = 28633
EOT
sysctl --system
EOF
（可选）安装用户态网络协议栈实现 slirp4netns ：由于yum 安装的slirp4netns版本比较老无法执行，需要从源码构建。
$ sudo yum install glib2-devel
$ sudo yum group install "Development Tools"
$ git clone https://github.com/rootless-containers/slirp4netns
$ cd slirp4netns
$ ./autogen.sh
$ ./configure --prefix=/usr
$ make
$ sudo make install
安装 Rootless Docker成功之后，会出现如下提示
$ curl -sSL https://get.docker.com/rootless | sh
# systemd not detected, dockerd daemon needs to be started manually
/home/moby/bin/dockerd-rootless.sh --experimental --storage-driver vfs
# Docker binaries are installed in /home/moby/bin
# Make sure the following environment variables are set (or add them to ~/.bashrc):\n
export XDG_RUNTIME_DIR=/tmp/docker-1000
export DOCKER_HOST=unix:///tmp/docker-1000/docker.sock
验证Rootless容器
执行
$ export XDG_RUNTIME_DIR=/tmp/docker-1000
$ export DOCKER_HOST=unix:///tmp/docker-1000/docker.sock
$ /home/moby/bin/dockerd-rootless.sh --experimental --storage-driver vfs
然后在另外一个窗口执行
$ export XDG_RUNTIME_DIR=/tmp/docker-1000
$ export DOCKER_HOST=unix:///tmp/docker-1000/docker.sock
$ docker version
Client:
Version: master-dockerproject-2019-04-29
API version: 1.40
Go version: go1.12.4
Git commit: 3273c2e2
Built: Mon Apr 29 23:39:39 2019
OS/Arch: linux/amd64
Experimental: false
Server:
Engine:
Version: master-dockerproject-2019-04-29
API version: 1.40 (minimum version 1.12)
Go version: go1.12.4
Git commit: 9a2c263
Built: Mon Apr 29 23:46:23 2019
OS/Arch: linux/amd64
Experimental: true
containerd:
Version: v1.2.6
GitCommit: 894b81a4b802e4eb2a91d1ce216b8817763c29fb
runc:
Version: 1.0.0-rc7+dev
GitCommit: 029124da7af7360afa781a0234d1b083550f797c
docker-init:
Version: 0.18.0
GitCommit: fec3683
$ docker run -d -p 8080:80 nginx
$ curl localhost:8080
利用 iperf3 进行网络性能测试，启动服务器端
$ docker run -it --rm --name=iperf3-server -p 5201:5201 networkstatic/iperf3 -s
测试容器之间的网络带宽
$ SERVER_IP=$(docker inspect --format "{{ .NetworkSettings.IPAddress }}" iperf3-server)
$ echo $SERVER_IP
172.17.0.2
$ docker run -it --rm networkstatic/iperf3 -c $SERVER_IP
...
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[ ID] Interval Transfer Bandwidth Retr
[ 4] 0.00-10.03 sec 29.8 GBytes 25.5 Gbits/sec 0 sender
[ 4] 0.00-10.03 sec 29.8 GBytes 25.5 Gbits/sec receiver
测试容器到宿主机之间的网络带宽（外网访问）
$ HOST_IP=$(hostname --ip-address)
$ echo $HOST_IP
192.168.1.162
$ docker run -it --rm networkstatic/iperf3 -c $HOST_IP
...
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
[ ID] Interval Transfer Bandwidth Retr
[ 4] 0.00-10.00 sec 1011 MBytes 848 Mbits/sec 0 sender
[ 4] 0.00-10.00 sec 1008 MBytes 845 Mbits/sec receiver
可以看到容器之间的通信带宽还比较不错，然而容器和宿主机不同网络名空间之间的通信性能有较大的损耗。
总结
Rootless容器在提升Docker/Runc容器的安全隔离性和可管理性方面前进了一大步，可以很好地复用Linux的安全体系，配合seccomp和SELinux等安全配置，可以减少攻击面。社区还提供了无需特权用户的Kubernetes实验版本，可以从如下项目获得 https://github.com/rootless-containers/usernetes
然而Rootless容器无法防范Linux内核的安全风险，目前其网络、存储的性能也有待优化，需要在特定场景中进行使用。也期待社区持续提升容器安全能力与效率，让容器有更加广阔的应用场景。
本文作者：易立
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