探索容器镜像安全管理之道

邓宇星，Rancher 中国软件架构师，7 年云原生领域经验，参与 Rancher 1.x 到 Rancher 2.x 版本迭代变化，目前负责 Rancher for openEuler(RFO)项目开发。

最近 Rancher v2.7.4 发布了，作为一个安全更新版本，也让大家对软件供应链安全多了一份思考。本文将围绕其中比较流行的容器镜像安全管理进行探讨和实践。

运行环境介绍

软件/操作系统	版本
Rancher	v2.7.4
Host OS: openEuler	22.03-LTS-SP1
K8s: RFO	v1.26.5+rfor1
cosign	v2.0.2
Harbor	v2.8.2
Client OS: MacOS	13.4
Kubewarden	v1.6.0

本次实践将使用最新版 Rancher v2.7.4 作为 K8s 集群管理工具。在此之上可安装 Kubewarden UI 作为可视策略管理工具。整体运行架构以及流程如下：

arch

使用 RFO 分发版作为本次下游 K8s 集群，RFO 为 Rancher for openEuler 的简称，是一个基于 openEuler 基础镜像的 RKE2 分发版。同时我们使用 openEuler 作为本次 K8s 的 Host OS，与 RFO 适配性更佳。

RFO 介绍与 Quick Start 请点击：https://gitee.com/openeuler/community/tree/master/sig/sig-rfo

本次使用 Harbor + cosign + Kubewarden 的组合，对容器镜像进行存储/签名/验证操作，cosign 与 harbor v2.5.0+版本有较好的兼容性，能直接在 harbor UI 上看到 cosign 证书配置。经测试 Harbor v2.1.1 版本也可使用 cosign 进行签名，只是 Harbor UI 上显示不太直观。

环境准备

• Harbor 安装请参考官网文档，请尽量使用 https 方式让 Harbor 对外提供服务，并使用可信的证书减少配置步骤。在本次实践当中，我们使用一个免费可信证书来规避此问题。
• cosign 安装参考官方文档，本次使用的是 go install github.com/sigstore/cosign/v2/cmd/cosign@latest 的方式安装。
• RFO 参考上文的 quick 地址，本次准备环境使用 1 master + 1 worker 的集群，机器规格都是 4c8g，确保有足够的资源运行所需组件。
• Rancher 使用 Docker run 方式启动，并将 RFO 集群使用 import 方式纳管到 Rancher 中。

Kubewarden 安装

Kubewarden 是一个开源项目，它是针对 Kubernetes 平台的策略引擎。它的目标是通过策略即代码的方式，为 Kubernetes 集群提供强大的安全性和策略控制功能。Kubewarden 可以帮助管理员和开发人员定义和实施各种策略，以确保应用程序和基础设施的安全性和合规性。

首先，我们需要在 Rancher 开启 extension 以及安装 Kubewarden 插件，从左侧菜单进入 Configuration -> Extensions：

extension

开启 Extensions 后，在 Available 选项卡中，找到 Kubewarden 进行安装：

kubewarden

PS：安装时，如果是国内的环境，容易出现安装插件失败的情况，可以使用以下操作进行修复
进入 local 集群的 workload 页面，编辑 cattle-ui-plugin-system 命名空间下 ui-plugin-operator 工作负载配置
在 Pod 选项卡中，修改 Networking 配置，添加 Host Aliases，配置：185.199.110.133 raw.githubusercontent.com并保存，这样能减少国内 Github 相关域名被 DNS 污染的问题。

安装成功后，刷新页面，并进入下游 RFO 集群管理页面，左侧菜单出现 Kubewarden 管理页面。

rfo-kubewarden

并根据 Kubewarden 安装指引安装 Kubewarden，这个过程需要安装 cert-manager，将 Kubewarden 的 charts repo 添加到 Rancher 中，并在集群中安装 Kubewarden APP。安装成功后，集群中 Kubewarden 页面如下：

kubewarden-installed

根据提示安装 default-policy-server，这个默认 policy-server 将会使用 validatingwebhookconfigurations 以及 mutatingwebhookconfigurations 进行策略应用。

default-policy-server

镜像构建推送并验证

整个镜像推送验证的环节包括：

• 使用 cosign 创建镜像签名密钥
• 在 Kubewarden 界面中，创建镜像签名验证策略
• 构建镜像并推送到镜像仓库中
• 对镜像使用 cosign 签名并推送
• 在集群中部署镜像

cosign 创建签名密钥

参考文档，这次我们使用 k8s secret 作为 cosign 的 kms provider，使用以下命令创建密钥：

# 创建 cosign namespace
kubectl create ns cosign
# 使用cosign 创建 key，并存储在 k8s secret中，通过 COSIGN_PASSWORD 指定证书密码，此处为了简化操作，使用了空密码，请在应用时使用密码加强管理
COSIGN_PASSWORD= cosign generate-key-pair k8s://cosign/imagekey
# 通过kubectl 查看secret是否创建成功
kubectl get secret -n cosign imagekey
# NAME       TYPE     DATA   AGE
# imagekey   Opaque   3      2m46s

正常情况下，公钥会同时保存在运行目录下的 cosign.pub 文件中。

在 Kubewarden 中创建策略

进入集群下的 Kubewarden 菜单下 ClusterAdmissionPolicy 页面，点击 Create 进入创建页面，查找 Verify Image Signatures：

create-policy

PS: 在第一次进入时，可能无法看到 artifacthub 中 kubewarden 策略，可以根据页面提示，添加 artifacthub.io 到访问白名单即可查询到配置。

选择 Verify Image Signatures 策略之后，在 General 中填写 Name image-validate，然后切换到 Settings 配置页面中，修改 Signature Type 为 PublicKey：

signature-type

在 Public Key 下点击 Add 之后，出现 image 输入框，此处需要输入镜像匹配名称，本次填写为 yuxing-test.cnrancher.com/test/*，其中 yuxing-test.cnrancher.com 是本次测试使用的 Harbor 域名，test 为镜像所在项目。

在 Public Keys 下添加我们的证书公钥，内容可以在cosign 创建签名密钥 中找到。输入完成后，点击 Finish 创建完成。

创建完成后，回到 ClusterAdmissionPolicies 列表页面，我们可以看到刚创建的 policy 状态：

policy-list

等待 Policy 状态为 Active 后生效，过程中 default-policy-server 会重启进行重新配置。若规则配置有问题，可以通过 kubectl get po -n cattle-kubewarden-system 找到 policy-server 并查看日志确认问题。

构建镜像并推送到镜像仓库中

本次简化构建镜像过程，使用 alpine:3.18.0 作为测试目标。

# pull alpine image
docker pull alpine:3.18.0
# retag it to our registry
docker tag $DIGEST yuxing-test.cnrancher.com/test/alpine:3.18.0
# push to registry
docker push yuxing-test.cnrancher.com/test/alpine:3.18.0

使用 cosign 对镜像进行签名：

# get the digest of alpine image, it should be only to diegst for this image and the one we need should be index to 1
IMAGE_DIGEST=`docker inspect --format='{{index .RepoDigests 1}}' yuxing-test.cnrancher.com/test/alpine:3.18.0`
# sign image with key stored in k8s, --tlog-upload=false is aim to not upload transparency log to sigstore server.
cosign sign --key k8s://cosign/imagekey --tlog-upload=false ${IMAGE_DIGEST}
# Pushing signature to: yuxing-test.cnrancher.com/test/alpine

签名完成后，可以登录到 Harbor，查看该镜像的签名情况：

harbor-alpine

同时我们推送 alpine:3.17.0 镜像到镜像仓库中但不进行 cosign 签名。

docker pull alpine:3.17.0
docker tag alpine:3.17.0 yuxing-test.cnrancher.com/test/alpine:3.17.0
docker push yuxing-test.cnrancher.com/test/alpine:3.17.0

在集群中部署镜像

我们在 Rancher UI 上，进入集群管理页面，使用 yuxing-test.cnrancher.com/test/alpine:3.18.0 镜像创建 deployment：

create-ok

点击创建后，成功部署，并注意到镜像名称被修改为只用 digest 的格式。

然后我们使用没有签名的 alpine:3.17.0 镜像创建 deployment，在创建后，会提示由于无签名而无法创建 pod：

create-fail

如果我们对 Verify Image Signatures 规则进行调整/升级，并应用到 Deployment/StatefulSet/DaemonSet 等类型上，则会在创建该类型资源时提示错误。

至此，我们完成了整个镜像的构建、签名和部署。

总结与思考

镜像签名的场景，可以应用在容器供应链安全的保障上，增强镜像来源的可信程度，在以下场景能发挥巨大的作用：

• 使用镜像签名对生产环境进行保护，只部署已签名的镜像，减少镜像从其他环境误操作导致进入生产环境的问题。
• 对引入的开源镜像进行可信扫描并签名，进行镜像准入核查。
• 使用签名结合 SBOM(Software Bill of Materials)文档，增强对镜像中的软件进行溯源和审计的能力。

在引入签名的同时，也会带来额外的管理成本：

• 使用 self-generated 证书固然很方便，但不利于分发和管理，对于大型的开发团队来说并不是一个好的选择。

• 引入 CA(certificate authority) 管理机构，或使用公开可信的 CA 机构签发的证书进行签名。

  • 使用公网中可信 CA 的证书进行签名，需要 CI 环境有互联网访问的能力，并不利于私有环境的场景。cosign 本身也提供基于 sigstore 的 CA 机构Fulcio 签发证书对镜像进行签名的操作。
  • 虽然公有云中有提供私有 CA 证书管理服务，但大部分场景下企业需要有自己的证书管理工具与流程，这些流程本身就不利于证书的利用。
• 对签名密钥的生命周期管理一直都是证书管理领域的大问题，这个问题在容器镜像签名中被放大。对何时需要对证书进行轮换，以及证书轮换时的影响与调整方案，都需要更深入的研究。