使用 Cilium 增强 Kubernetes 网络安全

TL;DR

在本篇，我们分别使用了 Kubernetes 原生的网络策略和 Cilium 的网络策略实现了 Pod 网络层面的隔离。不同的是，前者只提供了基于 L3/4 的网络策略；后者支持 L3/4、L7 的网络策略。

通过网络策略来提升网络安全，可以极大降低了实现和维护的成本，同时对系统几乎没有影响。

尤其是基于 eBPF 技术的 Cilium，解决了内核扩展性不足的问题，从内核层面为工作负载提供安全可靠、可观测的网络连接。

背景

为什么说 Kubernetes 网络存在安全隐患？集群中的 Pod 默认是未隔离的，也就是 Pod 之间的网络是互通的，可以互相通信的。

这里就会有问题，比如由于数据敏感服务 B 只允许特定的服务 A 才能访问，而服务 C 无法访问 B。要禁止服务 C 对服务 B 的访问，可以有几种方案：

• 在 SDK 中提供通用的解决方案，实现白名单的功能。首先请求要带有来源的标识，然后服务端可以接收规则设置放行特定标识的请求，拒绝其他的请求。
• 云原生的解决方案，使用服务网格的 RBAC、mTLS 功能。RBAC 实现原理与应用层的 SDK 方案类似，但是属于基础设施层的抽象通用方案；mTLS 则会更加复杂一些，在连接握手阶段进行身份验证，涉及证书的签发、验证等操作。

以上两种方案各有利弊：

• SDK 的方案实现简单，但是规模较大的系统会面临升级推广困难、多语言支持成本高等问题。
• 服务网格的方案是基础设施层的通用方案，天生支持多语言。但是对于未落地网格的用户来说，架构变化大，成本高。如果单纯为了解决安全问题，使用网格方案性价比又很低，且不说现有网格实现等落地难度大及后期的使用维护成本高。

继续向基础设施下层找方案，从网络层入手。Kubernetes 提供了的网络策略 *NetworkPolicy* ^[1]，则可以实现“网络层面的隔离”。

示例应用

在进一步演示 NetworkPolicy 的方案之前，先介绍用于演示的示例应用。我们使用 Cilium 在互动教程 Cilium getting started ^[2] 中使用的“星球大战”场景。

这里有三个应用，星战迷估计不会陌生：

• 死星 deathstar：在  80 端口提供 web 服务，有 2 个 副本，通过 Kubernetes Service 的负载均衡为 帝国战机对外提供”登陆“服务。
• 钛战机 tiefighter：执行登陆请求。
• X翼战机 xwing：执行登陆请求。

如图所示，我们使用了 Label 对三个应用进行了标识： org 和  class。在执行网络策略时，我们会使用这两个标签识别负载。

  # app.yaml   
---   
apiVersion: v1   
kind: Service   
metadata:   
  name: deathstar   
  labels:   
    app.kubernetes.io/name: deathstar   
spec:   
  type: ClusterIP   
  ports:   
  - port: 80   
  selector:   
    org: empire   
    class: deathstar   
---   
apiVersion: apps/v1   
kind: Deployment   
metadata:   
  name: deathstar   
  labels:   
    app.kubernetes.io/name: deathstar   
spec:   
  replicas: 2   
  selector:   
    matchLabels:   
      org: empire   
      class: deathstar   
  template:   
    metadata:   
      labels:   
        org: empire   
        class: deathstar   
        app.kubernetes.io/name: deathstar   
    spec:   
      containers:   
      - name: deathstar   
        image: docker.io/cilium/starwars   
---   
apiVersion: v1   
kind: Pod   
metadata:   
  name: tiefighter   
  labels:   
    org: empire   
    class: tiefighter   
    app.kubernetes.io/name: tiefighter   
spec:   
  containers:   
  - name: spaceship   
    image: docker.io/tgraf/netperf   
---   
apiVersion: v1   
kind: Pod   
metadata:   
  name: xwing   
  labels:   
    app.kubernetes.io/name: xwing   
    org: alliance   
    class: xwing   
spec:   
  containers:   
  - name: spaceship   
    image: docker.io/tgraf/netperf   

Kubernetes 网络策略

可以通过官方文档 ^[3]获取更多详细信息，这里我们直接放出配置：

  # native/networkpolicy.yaml   
apiVersion: networking.k8s.io/v1   
kind: NetworkPolicy   
metadata:   
  name: policy   
  namespace: default   
spec:   
  podSelector:   
    matchLabels:   
      org: empire   
      class: deathstar   
  policyTypes:   
  - Ingress   
  ingress:   
  - from:   
    - podSelector:   
        matchLabels:   
          org: empire   
    ports:   
    - protocol: TCP   
      port: 80   

• podSelector ：表示要应用网络策略的工作负载均衡，通过 label 选择到了 deathstar 的 2 个 Pod。
• policyTypes ：表示流量的类型，可以是  Ingress 或  Egress 或两者兼具。这里使用  Ingress，表示对选择的 deathstar Pod 的入站流量执行规则。
• ingress.from：表示流量的来源工作负载，也是使用  podSelector 和 Label 进行选择，这里选中了  org=empire 也就是所有“帝国的战机”。
• ingress.ports：表示流量的进入端口，这里列出了 deathstar 的服务端口。

接下来，我们测试下。

测试

先准备环境，我们使用 K3s ^[4] 作为 Kubernetes 环境。但由于 K3s 默认的 CNI 插件 Flannel 不支持网络策略，我们需要换个插件，这里选择 Calico ^[5]，即 K3s + Calico 的方案。

先创建一个单节点的集群：

  curl -sfL https://get.k3s.io | K3S_KUBECONFIG_MODE="644" INSTALL_K3S_EXEC="--flannel-backend=none --cluster-cidr=10.42.0.0/16 --disable-network-policy --disable=traefik" sh -   

此时，所有的 Pod 都处于  Pending 状态，因为还需要安装 Calico：

  kubectl apply -f https://projectcalico.docs.tigera.io/manifests/calico.yaml   

待 Calico 成功运行后，所有的 Pod 也会成功运行。

接下来就是部署应用：

  kubectl apply -f app.yaml   

执行策略前，执行下面的命令看看“战机能否登陆死星”：

  kubectl exec tiefighter -- curl -s -XPOST deathstar.default.svc.cluster.local/v1/request-landing   
Ship landed   
   
kubectl exec xwing -- curl -s -XPOST deathstar.default.svc.cluster.local/v1/request-landing   
Ship landed   

从结果来看，两种 ”战机“（Pod 负载）都可以访问 deathstar 服务。

此时执行网络策略：

  kubectl apply -f native/networkpolicy.yaml   

再次尝试”登陆“，xwing 的登陆请求会停在那（需要使用 ctrl+c 退出，或者请求时加上  --connect-timeout 2）。

思考

使用 Kubernetes 网络策略实现了我们想要的，从网络层面为服务增加了白名单的功能，这种方案没有改造成本，对系统也几乎无影响。

Cilium 还没出场就结束了？我们继续看：

有时我们的服务会对外暴露一些管理端点，由系统调用执行一些管理上的操作，比如热更新、重启等。这些端点是不允许普通服务来调用，否则会造成严重的后果。

比如示例中，tiefighter 访问了 deathstar 的管理端点  /exhaust-port：

  kubectl exec tiefighter -- curl -s -XPUT deathstar.default.svc.cluster.local/v1/exhaust-port   
Panic: deathstar exploded   
   
goroutine 1 [running]:   
main.HandleGarbage(0x2080c3f50, 0x2, 0x4, 0x425c0, 0x5, 0xa)   
        /code/src/github.com/empire/deathstar/   
        temp/main.go:9 +0x64   
main.main()   
        /code/src/github.com/empire/deathstar/   
        temp/main.go:5 +0x85   

出现了 Panic 错误，检查 Pod 你会发现 dealthstar 挂了。

Kubernetes 的网络策略仅能工作在 L3/4 层，对 L7 层就无能为力了。

还是要请出 Cilium。

Cilium 网络策略

由于 Cilium 涉及了 Linux 内核、网络等众多知识点，要讲清实现原理篇幅极大。故这里仅摘取了官网的介绍，后期希望有时间再写一篇关于实现的。

Cilium 简介

Cilium ^[6] 是一个开源软件，用于提供、保护和观察容器工作负载（云原生）之间的网络连接，由革命性的内核技术 eBPF ^[7] 推动。

eBPF 是什么？

Linux 内核一直是实现监控/可观测性、网络和安全功能的理想地方。不过很多情况下这并非易事，因为这些工作需要修改内核源码或加载内核模块， 最终实现形式是在已有的层层抽象之上叠加新的抽象。eBPF 是一项革命性技术，它能在内核中运行沙箱程序（sandbox programs）， 而无需修改内核源码或者加载内核模块。

将 Linux 内核变成可编程之后，就能基于现有的（而非增加新的）抽象层来打造更加智能、 功能更加丰富的基础设施软件，而不会增加系统的复杂度，也不会牺牲执行效率和安全性。

我们来看下 Cilium 的网络策略：

  # cilium/networkpolicy-L4.yaml   
apiVersion: "cilium.io/v2"   
kind: CiliumNetworkPolicy   
metadata:   
  name: "rule1"   
spec:   
  description: "L7 policy to restrict access to specific HTTP call"   
  endpointSelector:   
    matchLabels:   
      org: empire   
      class: deathstar   
  ingress:   
  - fromEndpoints:   
    - matchLabels:   
        org: empire   
    toPorts:   
    - ports:   
      - port: "80"   
        protocol: TCP   

与 Kubernetes 的原生网络策略差异不大，参考前面的介绍也都看懂，我们直接进入测试。

测试

由于 Cilium 本身就实现了 CNI，所以之前的集群就不能用了，先卸载集群：

  k3s-uninstall.sh   
# ！！！切记要清理之前的 cni 插件   
sudo rm -rf /etc/cni/net.d   

还是使用同样的命令创建单节点的集群：

  curl -sfL https://get.k3s.io | K3S_KUBECONFIG_MODE="644" INSTALL_K3S_EXEC="--flannel-backend=none --cluster-cidr=10.42.0.0/16 --disable-network-policy --disable=traefik" sh -   
   
# cilium 会使用该变量   
export KUBECONFIG=/etc/rancher/k3s/k3s.yaml   

接下来安装 Cilium CLI：

  curl -L --remote-name-all https://github.com/cilium/cilium-cli/releases/latest/download/cilium-linux-amd64.tar.gz{,.sha256sum}   
sha256sum --check cilium-linux-amd64.tar.gz.sha256sum   
sudo tar xzvfC cilium-linux-amd64.tar.gz /usr/local/bin   
rm cilium-linux-amd64.tar.gz{,.sha256sum}   
   
cilium version   
cilium-cli: v0.10.2 compiled with go1.17.6 on linux/amd64   
cilium image (default): v1.11.1   
cilium image (stable): v1.11.1   
cilium image (running): unknown. Unable to obtain cilium version, no cilium pods found in namespace "kube-system"   

安装 Cilium 到集群：

  cilium install   

待 Cilium 成功运行：

  cilium status   
    /¯¯\   
 /¯¯\__/¯¯\    Cilium:         OK   
 \__/¯¯\__/    Operator:       OK   
 /¯¯\__/¯¯\    Hubble:         disabled   
 \__/¯¯\__/    ClusterMesh:    disabled   
    \__/   
   
Deployment        cilium-operator    Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1   
DaemonSet         cilium             Desired: 1, Ready: 1/1, Available: 1/1   
Containers:       cilium             Running: 1   
                  cilium-operator    Running: 1   
Cluster Pods:     3/3 managed by Cilium   
Image versions    cilium-operator    quay.io/cilium/operator-generic:[email protected]:977240a4783c7be821e215ead515da3093a10f4a7baea9f803511a2c2b44a235: 1   
                  cilium             quay.io/cilium/cilium:[email protected]:251ff274acf22fd2067b29a31e9fda94253d2961c061577203621583d7e85bd2: 1   

部署应用：

  kubectl apply -f app.yaml   

待应用启动后测试服务调用：

  kubectl exec tiefighter -- curl -s -XPOST deathstar.default.svc.cluster.local/v1/request-landing   
Ship landed   
kubectl exec xwing -- curl -s -XPOST deathstar.default.svc.cluster.local/v1/request-landing   
Ship landed   

执行 L4 网络策略：

  kubectl apply -f cilium/networkpolicy-L4.yaml   

再次尝试“登陆”死星，xwing 战机同样无法登陆，说明 L4 层的规则生效。

我们再尝试 L7 层的规则：

  # cilium/networkpolicy-L7.yaml   
apiVersion: "cilium.io/v2"   
kind: CiliumNetworkPolicy   
metadata:   
  name: "rule1"   
spec:   
  description: "L7 policy to restrict access to specific HTTP call"   
  endpointSelector:   
    matchLabels:   
      org: empire   
      class: deathstar   
  ingress:   
  - fromEndpoints:   
    - matchLabels:   
        org: empire   
    toPorts:   
    - ports:   
      - port: "80"   
        protocol: TCP   
      rules:   
        http:   
        - method: "POST"   
          path: "/v1/request-landing"   

执行规则：

  kubectl apply -f cilium/networkpolicy-L7.yaml   

这回，使用 tiefighter 调用死星的管理接口：

  kubectl exec tiefighter -- curl -s -XPUT deathstar.default.svc.cluster.local/v1/exhaust-port   
Access denied   
# 登陆接口工作正常   
kubectl exec tiefighter -- curl -s -XPOST deathstar.default.svc.cluster.local/v1/request-landing   
Ship landed   

这回返回了 Access denied，说明 L7 层的规则生效了。

参考资料

[1] 

网络策略 NetworkPolicy: https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/services-networking/network-policies/

[2] 

Cilium getting started: https://play.instruqt.com/isovalent/tracks/cilium-getting-started

[3] 

官方文档: https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/services-networking/network-policies/

[4] 

K3s: https://k3s.io

[5] 

Calico: https://www.tigera.io/project-calico/

[6] 

Cilium: https://cilium.io

[7] 

eBPF: https://ebpf.io