云原生信息安全：筑牢数字化时代的安全防线

云原生信息安全：筑牢数字化时代的安全防线

一、云原生信息安全概述

云原生安全包含两层重要含义。一方面，面向云原生环境的安全，目标是防护云原生环境中的基础设施、编排系统和微服务等系统的安全。在云原生内部，安全机制多以云原生形态呈现，比如服务网格的安全通常使用旁挂串接的安全容器，微服务 API 安全通常使用微 API 网关容器，这些安全容器采用云原生的部署模式，具备云原生的特性。另一方面，具有云原生特征的安全，此类安全机制具有弹性、敏捷、轻量级、可编排等特性。

云原生是理念上的创新，通过容器化、资源编排和微服务重构传统的开发运营体系，极大地加快了业务上线和变更的速度。以 DDoS 为例，在数据中心的安全体系中，抗拒绝服务以往以硬件清洗设备为主，但存在无法应对突发大规模拒绝服务攻击的缺点。而采用云原生机制，安全厂商可通过容器镜像的方式交付容器化的虚拟清洗设备，当出现突发恶意流量时，能通过编排系统在空闲服务器中动态横向扩展，启动足够多的清洗设备以应对处理能力不足的场景。

在云原生架构中，信息安全至关重要。随着公有云和私有云的广泛部署，云计算基础设施成为企业部署新业务的首选，云原生架构也受到越来越多客户的青睐，云原生安全自然越来越受到重视。如果云原生环境的安全无法得到保障，可能会导致企业的业务遭受恶意攻击，数据泄露等严重后果，影响企业的正常运营和发展。因此，构建完善的云原生信息安全体系，是企业在云原生时代保障业务稳定发展的关键。

二、云原生安全的组成部分

（一）容器安全

容器作为云原生应用的核心载体，其安全性至关重要。在容器安全方面，容器镜像的扫描是关键的一环。据市场调查显示，72% 客户的容器规模为 100 个以上，4% 客户的容器规模超 5000 个，随着容器的流行，它也成为黑客攻击的对象。容器镜像安全扫描可以帮助用户及时发现容器镜像中的潜在漏洞和安全隐患，如弱密码、不安全的开放端口、操作系统和软件的漏洞以及潜在的恶意代码等问题。

在容器调度和编排阶段，隔离机制不可或缺。不同类型的工作负载应部署在不同的命名空间中，创建单独的命名空间是组件之间重要的第一层隔离，能使应用安全控制（如网络策略）更容易实施。同时，为了将潜在的破坏影响力限制在最小值，最好在一组专用计算机上运行敏感工作负载，降低通过共享容器运行时或主机的安全性较低的应用程序访问敏感应用程序的风险。

容器运行时的安全保护也不容忽视。可以使用容器运行时保护工具，如对启动的容器镜像进行准入检测，确保拉起的镜像符合基本的安全要求；在容器启动运行后，持续对包括容器逃逸、反弹 shell、异常进程、文件篡改、高危系统调用等在内的入侵行为进行检测与告警，实现运行时的实时检测与防护。还可以结合机器学习、人工智能等大数据分析技术，对容器的行为进行监控、画像，从行为分析角度，对容器内的行为进行异常检测。

（二）编排系统安全

容器编排工具如 Kubernetes 在云原生安全中起着关键作用。节点隔离是重要的安全措施之一，通过使用节点池（在云或本地）和 Kubernetes 命名空间、污点（taints）、容差（tolerations）和其他控件，可以将敏感工作负载与其他负载隔离开来，降低安全风险。

限制和监测容器之间的流量也非常关键。网络策略允许控制进出容器化应用程序的网络访问，对于一些托管的 Kubernetes 提供商，如 Google Kubernetes Engine（GKE），需要选择加入网络策略支持。一旦到位，可以从一些基本的默认网络策略开始，例如默认阻止来自其他命名空间的流量。

对 API 服务器使用第三方认证机制也是一种最佳安全实践。例如，Kubernetes 支持多种请求认证方式，包括 X509 证书认证、Bearer Tokens（JSON Web Tokens）、Service Account、OpenID Connect、Webhooks 等。这些认证方式可以提高 API 服务器的安全性，防止非法用户访问集群。

（三）云原生应用安全

云原生应用安全涵盖多个方面。微服务安全方面，需要注意数据泄露、未授权访问、被拒绝服务等风险。可以采用传统的防护方式或微服务治理框架进行防护，具体措施包含认证服务、授权服务、数据安全防护等。例如，基于 JWT 的认证或基于 Istio 的认证可以确保认证服务的有效性。

无服务安全方面，需要关注无服务计算模式下的安全机制与传统应用的不同，采取相应的防护措施。

服务网格安全方面，通过服务网格形成的点对点连接模式，需要考虑相关的安全机制变化，确保数据安全传输。

零信任体系在云原生应用安全中也非常重要，通过全面有效的身份权限管理以及持续的检测与响应来实现对云原生应用的安全防护。

API 安全方面，应加强对微服务间 API 通信的安全防护，包括 API 的访问控制、身份管理，调用链异常分析等。

同时，宿主机安全等传统安全内容也不能忽视。确保主机安全且配置正确，控制对敏感端口的网络访问，最小化对 Kubernetes 节点的管理访问等措施可以提高宿主机的安全性。

三、云原生安全最佳实践

（一）强化身份与访问管理

在云原生环境中，身份验证和权限控制对于维护网络安全至关重要。应确保身份验证机制的严格性，例如采用强密码策略，密码长度至少为 8 位，包含大小写字母、数字和特殊字符。同时，配置合理的角色和策略，根据不同的用户需求和工作职能，分配相应的权限。例如，开发人员可能只需要对代码仓库和开发环境有特定的访问权限，而运维人员则需要对服务器和容器编排系统有不同的权限。

集成多因素认证能有效降低未经授权的访问风险。多因素认证可以包括密码、手机短信验证码、指纹识别等多种方式。据统计，采用多因素认证可以降低 90% 以上的未经授权访问风险。通过严格的身份验证机制、合理的角色和策略以及多因素认证，可以确保只有合法用户能够访问云原生环境中的资源。

（二）加固容器安全

容器是云原生应用的核心载体，保障容器的安全至关重要。对容器镜像进行定期的扫描，以检测已知漏洞。例如，每周对容器镜像进行一次全面扫描，及时发现并修复潜在的安全问题。可以使用开源的镜像扫描工具，如 Clair，它能够快速检测出容器镜像中的漏洞，并提供详细的报告。

在容器调度和编排阶段采取隔离机制，如 Kubernetes 的网络策略，来限制容器之间的通信。通过设置网络策略，可以确保只有特定的容器能够相互通信，减少攻击面。例如，可以设置只允许数据库容器与应用服务器容器之间的通信，而其他容器之间的通信则被禁止。

容器运行时的安全性也需要通过使用安全上下文、最小化容器权限等方式加以保护。例如，使用非 root 用户运行容器，限制容器对主机资源的访问权限，降低容器被攻击后对主机的影响。

（三）持续监测与应对

云原生环境的动态特性要求安全监控必须是实时的。监控应覆盖云基础设施、容器、服务以及应用程序代码。可以使用 Prometheus 和 Grafana 等工具，实时监控云原生环境中的各种指标，如 CPU 使用率、内存使用率、网络流量等。

检测到异常行为后，应及时应对，包括自动化响应机制和及时的安全事件通知。例如，当检测到异常的网络流量时，自动启动防火墙规则，阻止可疑的流量。同时，及时通知安全团队，进行进一步的调查和处理。

（四）实施 DevSecOps

将安全措施集成至持续集成 / 持续部署（CI/CD）管道中，确保安全是开发生命周期的一部分。在代码提交阶段，使用自动化的测试工具能在代码提交的早期就发现潜在风险。例如，使用 SonarQube 进行代码静态分析，检测代码中的安全漏洞和质量问题。

通过容器镜像扫描、应用程序依赖项检查、Code Signing 等手段来强化安全。在容器镜像构建过程中，进行镜像扫描，确保镜像中没有包含已知的漏洞。同时，对应用程序的依赖项进行检查，确保依赖项的安全性。在代码签名阶段，使用数字签名技术，确保代码的完整性和真实性。

（五）保证数据安全与合规

加密是数据安全的关键部分，应确保数据在传输和静态时均以加密方式存储。在数据传输过程中，使用 SSL/TLS 协议进行加密，确保数据在网络传输过程中的安全性。在数据存储方面，使用磁盘加密技术，对静态数据进行加密存储。

同样，备份是关键数据保护策略。确保备份的完整性、保密性和可用性。定期对数据进行备份，并将备份存储在安全的位置。例如，可以使用云存储服务进行数据备份，并设置严格的访问控制策略，确保只有授权人员能够访问备份数据。

此外，鉴于云服务的全球性质，合规性也极其重要，需遵守所有适用的本地和国际法律法规。例如，对于涉及个人数据的应用，需要遵守 GDPR 等数据保护法规，确保用户数据的安全和隐私。

（六）构筑恢复能力和灾难应对计划

灾难恢复（DR）是确保业务连续性的重要组成部分。实施灾难应对计划包括定期的备份、在多区域部署关键组件以及设计和测试恢复流程。

定期进行数据备份，并将备份存储在不同的地理位置，以防止单一地点的灾难导致数据丢失。例如，每周进行一次全量备份，每天进行一次增量备份，并将备份存储在不同的数据中心。

在多区域部署关键组件，确保在一个区域出现故障时，其他区域的组件能够继续提供服务。例如，可以在不同的云服务提供商的数据中心部署应用程序的副本，以提高系统的可用性。

设计和测试恢复流程，确保在出现灾难时，能够迅速恢复服务。定期进行灾难恢复演练，模拟各种灾难场景，检验恢复流程的有效性。

（七）人员培训与安全文化建设

受训的员工能够识别潜在的安全威胁，并对如何在云原生环境下操作有全面的理解。安全意识培养与持续教育能够有效降低因操作不当引致的风险。

开展定期的安全培训课程，向员工传授云原生安全知识和最佳实践。例如，每月组织一次安全培训，介绍最新的安全威胁和应对措施。同时，通过案例分析和实际操作，让员工更好地理解安全问题的严重性和应对方法。

安全文化的内化能促进团队在日常工作中自然地关注和执行安全最佳实践。建立安全奖励机制，鼓励员工发现和报告安全问题。例如，对于发现重大安全漏洞的员工给予奖励，提高员工的安全意识和积极性。

四、云原生安全面临的挑战

（一）容器安全问题

容器的高弹性和敏捷特性虽然为云原生应用带来了诸多优势，但也带来了一系列安全挑战。一方面，容器共享操作系统内核，若内核存在漏洞，攻击者可能利用这些漏洞进行容器逃逸攻击，获取主机权限，进而攻击容器所在主机甚至其他容器。例如，CVE-2019-5736 漏洞就曾导致 Docker 在特定版本下允许恶意容器覆盖宿主机上的 RunC 二进制文件，使攻击者能够以根用户身份在宿主机上执行任意命令。另一方面，容器镜像的安全性也是一个关键问题。开发者通常基于现有镜像创建新镜像，若现有镜像存在安全缺陷或被攻击者上传恶意镜像，那么基于此创建的镜像也将不安全。此外，开发者使用的软件库代码或软件如果存在漏洞或恶意代码，一旦被制作成镜像，也会影响容器安全。而且，容器镜像在存储和使用过程中可能被篡改，如被植入恶意程序或修改内容，一旦使用被恶意篡改的镜像创建容器，将会影响容器和应用程序的安全。

（二）云原生等保合规问题

等级保护 2.0 标准在编写时主要考虑的是虚拟化场景，未充分考虑容器化、微服务、无服务等云原生场景，因此不能完全保证适用于目前的云原生环境。在云计算安全扩展要求中，访问控制方面需要检测主机账号安全，设置不同账号对不同容器的访问权限，以保证容器在构建、部署、运行时访问控制策略随其迁移。例如，企业可以通过建立完善的账号管理系统，对不同用户的权限进行精细划分，确保只有授权用户能够访问特定容器。对于入侵防范控制点，需要可视化管理，绘制业务拓扑图，对主机入侵进行全方位防范，控制业务流量访问，检测恶意代码感染及蔓延情况。同时，还需要对镜像和快照进行保护，保障容器镜像的完整性、可用性和保密性，防止敏感信息泄露。可以采用加密技术对镜像和快照进行加密存储，确保其安全性。

（三）宿主机安全

宿主机的配置对容器运行安全有着重要影响。如果宿主机安装了有漏洞的软件，可能会导致任意代码执行风险；端口无限制开放可能会导致任意用户访问的风险。为了解决这些问题，需要部署主机安全及微隔离安全平台。例如，通过主机安全（德迅卫士）及微隔离安全平台，可以提供主机资产管理、主机安全加固、风险漏洞识别、防范入侵行为、失陷主机网络隔离等功能，对主机进行全方位的安全防护。这样可以协助用户及时定位已经失陷的主机，响应已知、未知威胁风险，避免内部大面积主机安全事件的发生。

（四）安全与合规洞察的缺乏

云环境相比本地环境在安全与合规性方面存在显著差距。在公有云环境中，用户需要能够查看和控制另一个物理空间的数字资产。随着云原生技术的广泛应用，如无服务器应用等，维护这些数据和访问数据的服务变得日益复杂。为了解决这一问题，需要第一时间自动检测新创建的数字资产并持续跟踪其变更。例如，可以利用云原生安全解决方案中的机器学习技术，构建一个关于正常使用情形的全面配置文件，自动识别偏差并就可疑活动发出警报。同时，保持适当的上下文以改进风险识别也非常重要。通过深入、实时、可以帮助调查和集中管理的可视性，能够进一步帮助企业提高生产效率。

（五）多租户环境下的安全隔离

在云计算环境中，不同用户的数据和应用需要得到有效的隔离。在容器多变的环境中，确保不同用户之间的数据不会相互干扰，防止数据泄露和滥用是云原生安全必须解决的问题。可以采用多种技术手段来实现安全隔离，例如网络策略（Network Policies）、命名空间（Namespaces）、服务网格（Service Mesh）等。通过定义网络策略，可以控制不同 Pod 间的网络通信；利用命名空间可以提供逻辑上的隔离；而服务网格组件则可以提供细粒度的流量管理和安全策略实施。此外，还可以使用多租户存储解决方案，确保每个租户的数据独立且受保护，避免数据混杂或被其他租户访问。

（六）容器周期及成本问题

容器的生命周期很短，对容器的全生命周期防护会带来高成本的投入。对成千上万容器中的进程行为进行检测和分析，会消耗宿主机处理器和内存资源；日志传输会占用网络带宽；行为检测会消耗计算资源。当环境中容器数量巨大时，对应的安全运营成本就会急剧增加。为了降低成本，可以采用一些优化措施。例如，利用自动化工具进行批量检测和分析，提高效率；优化日志传输机制，减少网络带宽占用；采用分布式计算架构，提高行为检测的性能。同时，企业也可以根据自身的业务需求和安全风险评估，合理调整安全防护策略，在保证安全的前提下降低成本。

五、云原生安全的重要性

（一）数据隐私保护

在当今数字化时代，数据已成为企业的核心资产之一。云原生应用通常需要处理大量敏感数据，如用户的个人信息、财务数据、商业机密等。确保这些数据在云中的安全性至关重要。如果数据泄露，不仅会对用户的隐私造成严重影响，还可能导致企业面临法律诉讼、声誉受损等严重后果。

据统计，全球每年因数据泄露造成的经济损失高达数百亿美元。在云原生环境中，数据的存储、传输和处理更加复杂，安全风险也相应增加。例如，容器化应用可能会在不同的节点之间频繁迁移数据，这增加了数据被窃取或篡改的风险。此外，云原生应用通常采用分布式架构，数据可能存储在多个不同的位置，这也给数据隐私保护带来了挑战。

为了保护数据隐私，云原生应用需要采取一系列安全措施。例如，使用加密技术对数据进行加密存储和传输，确保即使数据被窃取，也无法被解密。同时，加强对数据的访问控制，只有授权用户才能访问敏感数据。此外，还可以采用数据脱敏技术，对敏感数据进行处理，使其在不影响业务的前提下，无法被识别。

（二）抵御恶意攻击

云环境因其开放性和复杂性，成为了网络攻击者的主要目标之一。云原生应用的复杂性进一步增加了攻击面，使得攻击者有更多的机会入侵系统。一旦遭受恶意攻击，可能会导致数据泄漏、服务中断等严重安全问题，给企业带来巨大的损失。

近年来，云原生环境中的安全事件不断发生。例如，2019 年，某知名云服务提供商遭受了大规模的 DDoS 攻击，导致其部分客户的服务中断。2020 年，某企业的云原生应用被黑客入侵，大量敏感数据被窃取。这些事件表明，云原生应用面临着严峻的安全挑战，需要采取有效的安全措施来抵御恶意攻击。

为了防范恶意攻击，云原生应用需要建立多层次的安全防护体系。首先，要加强对基础设施的安全防护，如防火墙、入侵检测系统等。其次，要对应用层进行安全加固，如采用安全的编码规范、进行漏洞扫描等。此外，还可以采用零信任安全模型，对所有的访问请求进行严格的身份验证和授权，确保只有合法用户才能访问系统。

（三）满足合规性要求

不同国家和行业都有特定的法规和合规性要求，涉及到数据存储、访问控制、审计等方面。云原生应用作为一种新兴的技术，也需要满足这些合规性要求，否则可能面临法律责任。

例如，在欧盟，通用数据保护条例（GDPR）对企业的数据保护提出了严格的要求。企业必须采取有效的安全措施，确保用户数据的安全和隐私。在美国，健康保险携带和责任法案（HIPAA）对医疗行业的数据保护也有明确的规定。如果云原生应用涉及到这些行业，就必须满足相应的合规性要求。

为了满足合规性要求，云原生应用需要从设计、开发、部署到运维的各个阶段都考虑安全和合规性因素。例如，在设计阶段，要考虑数据的分类和分级，制定相应的安全策略。在开发阶段，要采用安全的编码规范，进行代码审查和漏洞扫描。在部署阶段，要确保基础设施的安全配置符合要求。在运维阶段，要进行定期的安全审计和风险评估，及时发现和解决安全问题。

（四）保障业务连续性

云应用的高可用性是业务连续性的关键因素。如果云应用受到攻击或故障，可能会导致业务中断，对组织造成重大损失。云原生安全可以通过建立完善的安全防护体系，防止攻击和故障的发生，保障业务的连续性。

例如，在金融行业，业务连续性至关重要。如果银行的云原生应用出现故障，可能会导致客户无法进行交易，给银行带来巨大的经济损失和声誉风险。因此，银行需要采取一系列安全措施，如冗余备份、灾难恢复等，确保云原生应用的高可用性和业务连续性。

为了保障业务连续性，云原生应用需要建立全面的灾难恢复计划。首先，要进行定期的数据备份，确保在发生灾难时能够快速恢复数据。其次，要在多区域部署关键组件，提高系统的可用性。此外，还可以采用自动化故障转移技术，在主节点出现故障时，自动切换到备用节点，确保业务的连续性。

六、云原生安全解决方案

云原生安全面临诸多挑战，而 CWPP、CSPM、CASB、CNAPP 等云安全解决方案从不同角度为云原生安全提供了有力保障。

CWPP（云工作负载保护平台）：为所有类型的工作负载（包括物理服务器、虚拟机、容器和无服务器工作负载）提供以工作负载为中心的安全保护解决方案。它包含八层控制，如强化、配置和漏洞管理、网络防火墙、可见性和微分段、系统完整性保证、应用程序控制和许可清单、漏洞利用防护和内存保护、服务器工作负载 EDR、行为监控以及威胁检测和响应、具有漏洞屏蔽功能的基于主机的 IPS、反恶意软件扫描等。CWPP 能够在 CI/CD 流程中更早地识别漏洞，更快地检测漏洞利用和活动威胁，以及在响应事件时具有更大的上下文和调查能力。

CSPM（云安全配置管理）：从外部保护工作负载，通过评估云平台控制平面的安全且合规的配置，提供一组工具支持合规性监视、与 DevOps 流程的集成、事件响应、风险评估和风险可视化。CSPM 解决方案可识别整个组织整个云资产中的未知风险或过度风险，提供持续的合规性监视、配置漂移预防和安全运营中心调查。组织可以使用 CSPM 产品监视策略，自动检查云环境是否符合法规遵从性和安全性违规，并提供自动步骤进行补救。

CASB（云访问安全代理）：本质上是用于云服务的防火墙，提供安全策略实施网关，确保用户的操作得到授权并符合公司的安全策略。CASB 可以识别组织使用的所有云服务，包括影子 IT，并在必要时发出警报。它具有审核和报告工具，可用于法规遵从性，包括云存储的数据。CASB 还提供威胁防护，保护授权用户和应用程序的云服务，并提供反网络钓鱼、帐户接管、URL 过滤、恶意软件检测和沙箱保护等功能。

CNAPP（云原生应用保护平台）：由 Gartner 创造的术语，结合了 CWPP 和 CSPM 的功能，可扫描开发中的工作负载和配置并在运行时对其进行保护。保护云原生应用程序涉及到一系列连续的过程，集中于识别、评估、确定优先级并适应云原生应用程序、基础架构和配置中的风险。CNAPP 工具可为 SecOps 和 DevOps 团队提供统一的可见性、响应威胁和安全的功能，以及漏洞和错误配置补救措施的自动化功能。