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learn.lianglianglee.com/专栏/容器实战高手课/20 容器安全（2）：在容器中，我不以root用户来运行程序可以吗？.md.html
周伟 0f006e4e9b add
2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>20 容器安全（2）：在容器中，我不以root用户来运行程序可以吗？</h1>
<p>你好，我是程远。</p>
<p>在上一讲里，我们学习了 Linux capabilities 的概念，也知道了对于非 privileged 的容器，容器中 root 用户的 capabilities 是有限制的，因此容器中的 root 用户无法像宿主机上的 root 用户一样，拿到完全掌控系统的特权。</p>
<p>那么是不是让非 privileged 的容器以 root 用户来运行程序，这样就能保证安全了呢？这一讲，我们就来聊一聊容器中的 root 用户与安全相关的问题。</p>
<h2>问题再现</h2>
<p>说到容器中的用户（user），你可能会想到，在 Linux Namespace 中有一项隔离技术，也就是 User Namespace。</p>
<p>不过在容器云平台 Kubernetes 上目前还不支持 User Namespace，所以我们先来看看在没有 User Namespace 的情况下，容器中用 root 用户运行，会发生什么情况。</p>
<p>首先，我们可以用下面的命令启动一个容器，在这里，我们把宿主机上 /etc 目录以 volume 的形式挂载到了容器中的 /mnt 目录下面。</p>
<pre><code># docker run -d --name root_example -v /etc:/mnt centos sleep 3600
</code></pre>
<p>然后，我们可以看一下容器中的进程&quot;sleep 3600&quot;，它在容器中和宿主机上的用户都是 root，也就是说，容器中用户的 uid/gid 和宿主机上的完全一样。</p>
<pre><code># docker exec -it root_example bash -c &quot;ps -ef | grep sleep&quot;
root 1 0 0 01:14 ? 00:00:00 /usr/bin/coreutils --coreutils-prog-shebang=sleep /usr/bin/sleep 3600
# ps -ef | grep sleep
root 5473 5443 0 18:14 ? 00:00:00 /usr/bin/coreutils --coreutils-prog-shebang=sleep /usr/bin/sleep 3600
</code></pre>
<p>虽然容器里 root 用户的 capabilities 被限制了一些，但是在容器中，对于被挂载上来的 /etc 目录下的文件，比如说 shadow 文件，以这个 root 用户的权限还是可以做修改的。</p>
<pre><code># docker exec -it root_example bash
[<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" class="__cf_email__" data-cfemail="c4b6ababb084fda7f3a6f3f2f6f7f6a7f5fd">[email&#160;protected]</a> /]# ls /mnt/shadow -l
---------- 1 root root 586 Nov 26 13:47 /mnt/shadow
[<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" class="__cf_email__" data-cfemail="c3b1acacb783faa0f4a1f4f5f1f0f1a0f2fa">[email&#160;protected]</a> /]# echo &quot;hello&quot; &gt;&gt; /mnt/shadow
</code></pre>
<p>接着我们看看后面这段命令输出，可以确认在宿主机上文件被修改了。</p>
<pre><code># tail -n 3 /etc/shadow
grafana:!!:18437::::::
tcpdump:!!:18592::::::
hello
</code></pre>
<p>这个例子说明容器中的 root 用户也有权限修改宿主机上的关键文件。</p>
<p>当然在云平台上，比如说在 Kubernetes 里，我们是可以限制容器去挂载宿主机的目录的。</p>
<p>不过，由于容器和宿主机是共享 Linux 内核的，一旦软件有漏洞，那么容器中以 root 用户运行的进程就有机会去修改宿主机上的文件了。比如 2019 年发现的一个 RunC 的漏洞 CVE-2019-5736， 这导致容器中 root 用户有机会修改宿主机上的 RunC 程序，并且容器中的 root 用户还会得到宿主机上的运行权限。</p>
<h2>问题分析</h2>
<p>对于前面的问题，接下来我们就来讨论一下解决办法，在讨论问题的过程中，也会涉及一些新的概念，主要有三个。</p>
<h3>方法一：Run as non-root user（给容器指定一个普通用户）</h3>
<p>我们如果不想让容器以 root 用户运行，最直接的办法就是给容器指定一个普通用户 uid。这个方法很简单，比如可以在 docker 启动容器的时候加上&quot;-u&quot;参数，在参数中指定 uid/gid。</p>
<p>具体的操作代码如下：</p>
<pre><code># docker run -ti --name root_example -u 6667:6667 -v /etc:/mnt centos bash
bash-4.4$ id
uid=6667 gid=6667 groups=6667
bash-4.4$ ps -ef
UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD
6667 1 0 1 01:27 pts/0 00:00:00 bash
6667 8 1 0 01:27 pts/0 00:00:00 ps -ef
</code></pre>
<p>还有另外一个办法，就是我们在创建容器镜像的时候，用 Dockerfile 为容器镜像里建立一个用户。</p>
<p>为了方便你理解，我还是举例说明。就像下面例子中的 nonroot，它是一个用户名，我们用 USER 关键字来指定这个 nonroot 用户，这样操作以后，容器里缺省的进程都会以这个用户启动。</p>
<p>这样在运行 Docker 命令的时候就不用加&quot;-u&quot;参数来指定用户了。</p>
<pre><code># cat Dockerfile
FROM centos
RUN adduser -u 6667 nonroot
USER nonroot
# docker build -t registry/nonroot:v1 .
…
# docker run -d --name root_example -v /etc:/mnt registry/nonroot:v1 sleep 3600
050809a716ab0a9481a6dfe711b332f74800eff5fea8b4c483fa370b62b4b9b3
# docker exec -it root_example bash
[<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" class="__cf_email__" data-cfemail="e08e8f8e928f8f94a0d0d5d0d8d0d981d7d1d68182">[email&#160;protected]</a> /]$ id
uid=6667(nonroot) gid=6667(nonroot) groups=6667(nonroot)
[<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" class="__cf_email__" data-cfemail="523c3d3c203d3d26126267626a626b336563643330">[email&#160;protected]</a> /]$ ps -ef
UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD
nonroot 1 0 0 01:43 ? 00:00:00 /usr/bin/coreutils --coreutils-prog-shebang=sleep /usr/bin/sleep 3600
</code></pre>
<p>好，在容器中使用普通用户运行之后，我们再看看，现在能否修改被挂载上来的 /etc 目录下的文件? 显然，现在不可以修改了。</p>
<pre><code>[<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" class="__cf_email__" data-cfemail="7719181905181803374742474f474e164046411615">[email&#160;protected]</a> /]$ echo &quot;hello&quot; &gt;&gt; /mnt/shadow
bash: /mnt/shadow: Permission denied
</code></pre>
<p>那么是不是只要给容器中指定了一个普通用户，这个问题就圆满解决了呢？其实在云平台上，这么做还是会带来别的问题，我们一起来看看。</p>
<p>由于用户 uid 是整个节点中共享的，那么在容器中定义的 uid，也就是宿主机上的 uid，这样就很容易引起 uid 的冲突。</p>
<p>比如说，多个客户在建立自己的容器镜像的时候都选择了同一个 uid 6667。那么当多个客户的容器在同一个节点上运行的时候，其实就都使用了宿主机上 uid 6667。</p>
<p>我们都知道，在一台 Linux 系统上，每个用户下的资源是有限制的，比如打开文件数目（open files）、最大进程数目（max user processes）等等。一旦有很多个容器共享一个 uid，这些容器就很可能很快消耗掉这个 uid 下的资源，这样很容易导致这些容器都不能再正常工作。</p>
<p>要解决这个问题，必须要有一个云平台级别的 uid 管理和分配，但选择这个方法也要付出代价。因为这样做是可以解决问题，但是用户在定义自己容器中的 uid 的时候，他们就需要有额外的操作，而且平台也需要新开发对 uid 平台级别的管理模块，完成这些事情需要的工作量也不少。</p>
<h3>方法二：User Namespace（用户隔离技术的支持）</h3>
<p>那么在没有使用 User Namespace 的情况，对于容器平台上的用户管理还是存在问题。你可能会想到，我们是不是应该去尝试一下 User Namespace?</p>
<p>好的，我们就一起来看看使用 User Namespace 对解决用户管理问题有没有帮助。首先，我们简单了解一下User Namespace的概念。</p>
<p>User Namespace 隔离了一台 Linux 节点上的 User ID（uid）和 Group ID（gid），它给 Namespace 中的 uid/gid 的值与宿主机上的 uid/gid 值建立了一个映射关系。经过 User Namespace 的隔离，我们在 Namespace 中看到的进程的 uid/gid，就和宿主机 Namespace 中看到的 uid 和 gid 不一样了。</p>
<p>你可以看下面的这张示意图，应该就能很快知道 User Namespace 大概是什么意思了。比如 namespace_1 里的 uid 值是 0 到 999，但其实它在宿主机上对应的 uid 值是 1000 到 1999。</p>
<p>还有一点你要注意的是，User Namespace 是可以嵌套的，比如下面图里的 namespace_2 里可以再建立一个 namespace_3，这个嵌套的特性是其他 Namespace 没有的。</p>
<p><img src="assets/647a11a38498128e0b00a48931e2f09c.jpg" alt="img" /></p>
<p>我们可以启动一个带 User Namespace 的容器来感受一下。这次启动容器，我们用一下podman这个工具，而不是 Docker。</p>
<p>跟 Docker 相比，podman 不再有守护进程 dockerd，而是直接通过 fork/execve 的方式来启动一个新的容器。这种方式启动容器更加简单，也更容易维护。</p>
<p>Podman 的命令参数兼容了绝大部分的 docker 命令行参数，用过 Docker 的同学也很容易上手 podman。你感兴趣的话，可以跟着这个手册在你自己的 Linux 系统上装一下 podman。</p>
<p>那接下来，我们就用下面的命令来启动一个容器：</p>
<pre><code># podman run -ti -v /etc:/mnt --uidmap 0:2000:1000 centos bash
</code></pre>
<p>我们可以看到，其他参数和前面的 Docker 命令是一样的。</p>
<p>这里我们在命令里增加一个参数，&quot;--uidmap 0:2000:1000&quot;，这个是标准的 User Namespace 中 uid 的映射格式：&quot;ns_uid:host_uid:amount&quot;。</p>
<p>那这个例子里的&quot;0:2000:1000&quot;是什么意思呢？我给你解释一下。</p>
<p>第一个 0 是指在新的 Namespace 里 uid 从 0 开始，中间的那个 2000 指的是 Host Namespace 里被映射的 uid 从 2000 开始，最后一个 1000 是指总共需要连续映射 1000 个 uid。</p>
<p>所以，我们可以得出，这个容器里的 uid 0 是被映射到宿主机上的 uid 2000 的。这一点我们可以验证一下。</p>
<p>首先，我们先在容器中以用户 uid 0 运行一下 sleep 这个命令：</p>
<pre><code># id
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root)
# sleep 3600
</code></pre>
<p>然后就是第二步，到宿主机上查看一下这个进程的 uid。这里我们可以看到，进程 uid 的确是 2000 了。</p>
<pre><code># ps -ef |grep sleep
2000 27021 26957 0 01:32 pts/0 00:00:00 /usr/bin/coreutils --coreutils-prog-shebang=sleep /usr/bin/sleep 3600
</code></pre>
<p>第三步，我们可以再回到容器中，仍然以容器中的 root 对被挂载上来的 /etc 目录下的文件做操作，这时可以看到操作是不被允许的。</p>
<pre><code># echo &quot;hello&quot; &gt;&gt; /mnt/shadow
bash: /mnt/shadow: Permission denied
# id
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root)
</code></pre>
<p>好了，通过这些操作以及和前面 User Namespace 的概念的解释，我们可以总结出容器使用 User Namespace 有两个好处。</p>
<p>第一，它把容器中 root 用户（uid 0）映射成宿主机上的普通用户。</p>
<p>作为容器中的 root，它还是可以有一些 Linux capabilities，那么在容器中还是可以执行一些特权的操作。而在宿主机上 uid 是普通用户，那么即使这个用户逃逸出容器 Namespace，它的执行权限还是有限的。</p>
<p>第二，对于用户在容器中自己定义普通用户 uid 的情况，我们只要为每个容器在节点上分配一个 uid 范围，就不会出现在宿主机上 uid 冲突的问题了。</p>
<p>因为在这个时候，我们只要在节点上分配容器的 uid 范围就可以了，所以从实现上说，相比在整个平台层面给容器分配 uid，使用 User Namespace 这个办法要方便得多。</p>
<p>这里我额外补充一下，前面我们说了 Kubernetes 目前还不支持 User Namespace，如果你想了解相关工作的进展，可以看一下社区的这个PR。</p>
<h3>方法三：rootless container（以非 root 用户启动和管理容器）</h3>
<p>前面我们已经讨论了，在容器中以非 root 用户运行进程可以降低容器的安全风险。除了在容器中使用非 root 用户，社区还有一个 rootless container 的概念。</p>
<p>这里 rootless container 中的&quot;rootless&quot;不仅仅指容器中以非 root 用户来运行进程，还指以非 root 用户来创建容器，管理容器。也就是说，启动容器的时候，Docker 或者 podman 是以非 root 用户来执行的。</p>
<p>这样一来，就能进一步提升容器中的安全性，我们不用再担心因为 containerd 或者 RunC 里的代码漏洞，导致容器获得宿主机上的权限。</p>
<p>我们可以参考 redhat blog 里的这篇文档， 在宿主机上用 redhat 这个用户通过 podman 来启动一个容器。在这个容器中也使用了 User Namespace，并且把容器中的 uid 0 映射为宿主机上的 redhat 用户了。</p>
<pre><code>$ id
uid=1001(redhat) gid=1001(redhat) groups=1001(redhat)
$ podman run -it ubi7/ubi bash ### 在宿主机上以redhat用户启动容器
[<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" class="__cf_email__" data-cfemail="8ffde0e0fbcfbdbfb9e9b9ebbaecedbfbcbc">[email&#160;protected]</a> /]# id ### 容器中的用户是root
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root)
[<a href="/cdn-cgi/l/email-protection" class="__cf_email__" data-cfemail="fc8e939388bcceccca9aca98c99f9ecccfcf">[email&#160;protected]</a> /]# sleep 3600 ### 在容器中启动一个sleep 进程
# ps -ef |grep sleep ###在宿主机上查看容器sleep进程对应的用户
redhat 29433 29410 0 05:14 pts/0 00:00:00 sleep 3600
</code></pre>
<p>目前 Docker 和 podman 都支持了 rootless container，Kubernetes 对rootless container 支持的工作也在进行中。</p>
<h2>重点小结</h2>
<p>我们今天讨论的内容是 root 用户与容器安全的问题。</p>
<p>尽管容器中 root 用户的 Linux capabilities 已经减少了很多，但是在没有 User Namespace 的情况下，容器中 root 用户和宿主机上的 root 用户的 uid 是完全相同的，一旦有软件的漏洞，容器中的 root 用户就可以操控整个宿主机。</p>
<p>为了减少安全风险，业界都是建议在容器中以非 root 用户来运行进程。不过在没有 User Namespace 的情况下，在容器中使用非 root 用户，对于容器云平台来说，对 uid 的管理会比较麻烦。</p>
<p>所以，我们还是要分析一下 User Namespace，它带来的好处有两个。一个是把容器中 root 用户（uid 0）映射成宿主机上的普通用户，另外一个好处是在云平台里对于容器 uid 的分配要容易些。</p>
<p>除了在容器中以非 root 用户来运行进程外，Docker 和 podman 都支持了 rootless container，也就是说它们都可以以非 root 用户来启动和管理容器，这样就进一步降低了容器的安全风险。</p>
<h2>思考题</h2>
<p>我在这一讲里提到了 rootless container，不过对于 rootless container 的支持，还存在着不少的难点，比如容器网络的配置、Cgroup 的配置，你可以去查阅一些资料，看看 podman 是怎么解决这些问题的。</p>
<p>欢迎你在留言区提出你的思考和疑问。如果这一讲对你有帮助，也欢迎转发给你的同事、朋友，一起交流学习。</p>
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