Kata Containers: Isolation für größere Sicherheit

Containerisierungslösungen haben sich seit einigen Jahren als unverzichtbare Werkzeuge in der IT-Infrastruktur etabliert. Kata Containers, ein Open-Source-Projekt, das Ende 2017 ins Leben gerufen wurde, zielt darauf ab, die Sicherheitslücken herkömmlicher Containerlösungen zu schließen. Durch die Kombination der Effizienz von Containern mit der Sicherheit von virtuellen Maschinen bieten Kata Containers eine tiefere Isolationsebene, die in der Cloud-nativen Welt dringend benötigt wird.

Kata Containers sind eine Open-Source-Container-Laufzeit, die die Sicherheit von virtuellen Maschinen mit der Effizienz und Geschwindigkeit von Containern kombiniert. Sie nutzen leichte virtuelle Maschinen, um eine tiefere Isolation zwischen Containern zu gewährleisten.

Kurz-Erklärung: Containerisierung

Containerisierung ist ein Ansatz zur Softwareverpackung, bei dem eine Anwendung und ihre Abhängigkeiten in einem “Container” gebündelt werden. Dies ermöglicht es, die Anwendung konsistent in verschiedenen Umgebungen auszuführen.

Die Geschichte des Projektes

Kata Containers wurde im Dezember 2017 und das Projekt hat sich schnell zu einem Eckpfeiler der Container-Sicherheitslandschaft entwickelt. Es wurde von Anfang an als Open-Source-Projekt konzipiert und hat in kurzer Zeit eine beeindruckende Community-Akzeptanz und Beteiligung erfahren.

Die Entwicklung von Kata Containers wurde maßgeblich von Xu Wang, einem der Hauptentwickler, und anderen Mitgliedern der Community vorangetrieben. Die OpenStack Foundation, bekannt für ihre Arbeit an der OpenStack-Cloud-Plattform, hat das Projekt von Anfang an unterstützt und finanziert. Dies hat dazu beigetragen, dass Kata Containers eine breite Akzeptanz in der Open-Source-Community gefunden hat.

Wichtige Meilensteine in der Entwicklung von Kata Containers waren die Integration und Unterstützung von Technologien wie gVisor von Google und Firecracker von Amazon Web Services. Diese Technologien haben das Sandboxing und die Sicherheit von Containern weiter verbessert und zeigen das Engagement der Kata Containers-Community für Innovation und Fortschritt.

Die Community hinter Kata Containers ist aktiv und wächst stetig. Sie umfasst eine Vielzahl von Entwicklern, Betreibern und Benutzern, die regelmäßig zu Code, Dokumentation und anderen Ressourcen beitragen. Mehr Informationen und Möglichkeiten zur Beteiligung finden Sie auf der offiziellen Kata Containers GitHub-Seite.

Es ist bemerkenswert, wie das Projekt in so kurzer Zeit eine solche Traktion und Akzeptanz in der Cloud-nativen Welt gefunden hat. Dies ist nicht nur ein Zeugnis für die Qualität und Relevanz von Kata Containers, sondern auch für die Stärke und das Engagement seiner Community.

Wer entwickelt Kata Containers

Das Projekt wurde von Xu Wang, einem der Hauptentwickler, und anderen Mitgliedern der Community ins Leben gerufen. Es wird von der OpenStack Foundation unterstützt.

Wie funktionieren Kata Containers

Kata Containers repräsentieren eine innovative Herangehensweise an die Containerisierung, die die Lücke zwischen traditionellen Containern und virtuellen Maschinen (VMs) schließt. Im Kern bieten Kata Containers die Leichtigkeit und Effizienz von Containern, kombiniert mit der Sicherheit und Isolation von VMs. Doch wie erreichen sie das?

Architektur von Kata Containers:

Kata Containers sind auf einer mehrschichtigen Architektur aufgebaut. An der Oberfläche interagieren sie wie jeder andere Container mit dem Benutzer. Doch unter der Haube unterscheiden sie sich erheblich von herkömmlichen Containern.

1. Eigener Kernel: Jeder Kata Container wird mit seinem eigenen, minimalen Kernel ausgeführt. Dies unterscheidet sich von traditionellen Containern, die den Kernel des Hostsystems teilen. Durch die Verwendung eines eigenen Kernels kann Kata sicherstellen, dass selbst wenn ein Container kompromittiert wird, der Angreifer keinen Zugriff auf den Host-Kernel oder andere Container hat.

2. Hypervisor-Schicht: Kata Containers nutzen einen Hypervisor, um die Container in leichten virtuellen Maschinen auszuführen. Dieser Hypervisor, oft QEMU oder Firecracker, ermöglicht es, dass jeder Container in seiner eigenen VM läuft. Dies bietet eine zusätzliche Isolationsschicht, die in traditionellen Containern fehlt.

3. Agent im Gastsystem: Innerhalb jeder VM läuft ein Agent, der für die Kommunikation zwischen dem Hostsystem und dem Container verantwortlich ist. Dieser Agent nimmt Befehle vom Hostsystem entgegen und führt sie innerhalb des Containers aus.

4. Shim-Prozesse: Für jeden Container gibt es einen Shim-Prozess auf dem Hostsystem. Dieser Prozess stellt sicher, dass der Container korrekt mit dem Hostsystem kommunizieren kann, auch wenn der Haupt-Kata-Prozess beendet wird.

Kata vs Docker Container

Kurz-Erklärung: Docker Container

Docker ist ein Tool, das es ermöglicht, Anwendungen in Containern zu verpacken. Diese Container können dann überall dort ausgeführt werden, wo Docker installiert ist, unabhängig von der zugrunde liegenden Infrastruktur.

Kata vs Docker

Docker revolutionierte 2013 die Welt der Softwareentwicklung und -bereitstellung, indem es die Container-Technologie in den Mainstream brachte. Container ermöglichen es Entwicklern, Anwendungen und ihre Abhängigkeiten in einem konsistenten Paket zu bündeln, das überall ausgeführt werden kann, wo Docker installiert ist. Doch während Docker in vielen Aspekten beeindruckend ist, gibt es Bedenken hinsichtlich der Sicherheit und Isolation von Containern, insbesondere in Multi-Tenant-Umgebungen. Hier kommt Kata ins Spiel.

Grundlegende Unterschiede:

1. Architektur und Isolation:

   • Docker: Docker-Container teilen sich den gleichen Host-Kernel. Dies bedeutet, dass alle Container auf einem Host denselben Kernel verwenden. Während dies in Bezug auf die Effizienz vorteilhaft ist, kann es Sicherheitsbedenken geben, insbesondere wenn Container aus nicht vertrauenswürdigen Quellen stammen.
   • Kata: Kata Containers hingegen verwenden für jeden Container einen eigenen minimalen Kernel und laufen in leichten virtuellen Maschinen. Dies bietet eine zusätzliche Isolationsebene, die in traditionellen Docker-Containern fehlt.

2. Laufzeitumgebung:

   • Docker: Docker verwendet standardmäßig runc als Laufzeit, die direkt auf dem Hostsystem läuft.
   • Kata: Kata verwendet einen Hypervisor (z.B. QEMU oder Firecracker) zur Ausführung von Containern in VMs. Dies bietet eine tiefere Isolation und kann als sicherer angesehen werden, insbesondere für Multi-Tenant-Umgebungen oder wenn Container aus nicht vertrauenswürdigen Quellen stammen.

3. Performance:

   • Docker: Da Docker-Container den Host-Kernel direkt verwenden, sind sie in der Regel schneller und effizienter.
   • Kata: Kata Containers können aufgrund der zusätzlichen Hypervisor-Schicht einen leichten Overhead haben. Dieser Overhead wird jedoch oft als akzeptabler Kompromiss für die zusätzliche Sicherheit und Isolation angesehen, die sie bieten.

Wann sollte man Kata Containers in Betracht ziehen? Wenn Sicherheit und Isolation oberste Priorität haben, insbesondere in Multi-Tenant-Umgebungen, sind Kata Containers eine ausgezeichnete Wahl. Sie sind besonders nützlich in Szenarien, in denen Sie möglicherweise nicht vollständig vertrauenswürdigen Code ausführen oder wenn Sie eine strenge Trennung zwischen verschiedenen Anwendungen oder Benutzern benötigen.

Während Docker die Container-Revolution anführte und in vielen Anwendungsfällen weiterhin die bevorzugte Wahl ist, bieten Kata Containers eine zusätzliche Sicherheitsebene, die in bestimmten Szenarien wünschenswert oder sogar notwendig ist. Es ist wichtig zu verstehen, dass Kata nicht unbedingt ein Ersatz für Docker ist, sondern eher eine Ergänzung, die in bestimmten Sicherheits- oder Isolationsanforderungen verwendet werden kann.

Kurz-Erklärung: Kubernetes

Kubernetes ist ein Open-Source-Container-Orchestrierungstool, das die Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von Containeranwendungen automatisiert.

Kata mit Kubernetes

Kata Containers und Kubernetes ergänzen sich in der modernen Cloud-nativen Landschaft. Während Kata Containers eine sichere und isolierte Container-Laufzeit bieten, ist Kubernetes das führende Open-Source-System zur Automatisierung der Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von containerisierten Anwendungen.

Kann man Kata Containers mit Kubernetes verwenden? Ja, Kata Containers können nahtlos in Kubernetes-Cluster integriert werden. Kubernetes unterstützt verschiedene Container-Laufzeiten über das Container Runtime Interface (CRI). Kata Containers sind CRI-kompatibel und können daher als alternative Laufzeit in einem Kubernetes-Cluster verwendet werden.

Welche Vorteile bieten Kata Containers mit Kubernetes? Die Kombination von Kata Containers und Kubernetes bietet mehrere Vorteile:

1. Erhöhte Sicherheit: Kata Containers bieten eine zusätzliche Isolationsebene für Pods in einem Kubernetes-Cluster, was die Sicherheit in Multi-Tenant-Umgebungen erhöht.
2. Flexibilität: Benutzer können zwischen verschiedenen Laufzeiten wählen, je nach den spezifischen Anforderungen ihrer Workloads.
3. Kompatibilität: Da Kata Containers den Open Container Initiative (OCI) Standard einhalten, können sie problemlos in bestehende Kubernetes-Cluster integriert werden.

Kann man Docker und Kata Containers mit Kubernetes gleichzeitig nutzen? Ja, Kubernetes ermöglicht die Verwendung von mehreren Laufzeiten in einem Cluster. Dies bedeutet, dass Sie innerhalb desselben Clusters sowohl Docker- als auch Kata-Container-Laufzeiten verwenden können. Dies gibt Administratoren und Entwicklern die Flexibilität, die am besten geeignete Laufzeit für ihre spezifischen Workloads auszuwählen.

Was muss man machen, damit Kata Containers in Kubernetes laufen? Um Kata Containers in einem Kubernetes-Cluster zu verwenden, müssen Sie:

1. Kata Containers auf den Knoten des Clusters installieren.
2. Eine geeignete CRI-Implementierung (z.B. containerd oder CRI-O) konfigurieren, um Kata als zusätzliche Laufzeit zu verwenden.
3. Die Kubernetes-Konfiguration aktualisieren, um die neue Laufzeit zu berücksichtigen.
4. Bei der Erstellung von Pods oder Deployments in Kubernetes können Sie dann angeben, welche Laufzeit (Docker oder Kata) verwendet werden soll.

Kata Containers in Kombination mit Kubernetes bieten eine leistungsstarke und sichere Lösung für die Ausführung von containerisierten Anwendungen in Produktionsumgebungen.

Kubernetes, Kata & Kyverno für mehr Sicherheit

In einem Artikel vom 11. Oktober 2022, verfasst von der Kata Containers Community, wird die Bedeutung von Sicherheit in Kubernetes-Umgebungen hervorgehoben. Der Artikel betont, dass, obwohl Kubernetes viele eingebaute Sicherheitsfunktionen hat, die Durchsetzung von Sicherheitsrichtlinien in einem großen und komplexen Cluster herausfordernd sein kann.

Kyverno, eine Kubernetes-Policy-Engine, ermöglicht es Administratoren, Richtlinien wie Ressourcenzugriff, Namenskonventionen und Netzwerkzugriff durchzusetzen. Bei Verstößen kann Kyverno automatische Maßnahmen ergreifen, um das Problem zu beheben.

Ein weiteres wichtiges Feature von Kubernetes ist die RuntimeClass, die es ermöglicht, den Container-Runtime für Workloads anzugeben. Dies ist nützlich, da verschiedene Runtimes unterschiedliche Sicherheitseigenschaften haben.

Kata Containers bietet eine zusätzliche Sicherheits- und Isolationsebene, indem es für jeden Kubernetes-Pod eine dedizierte virtuelle Maschine erstellt. Dies unterscheidet sich von Standard-Container-Runtimes, die den gleichen Kernel für alle Pods verwenden.

Die Kombination von Policy Engines, RuntimeClasses und Kata Containers bietet eine erhöhte Sicherheit. Administratoren können beispielsweise sicherstellen, dass Workloads von bestimmten Benutzern oder privilegierte Workloads mit der Kata Containers-Runtime ausgeführt werden. Dies wird durch die Kyverno-Policy-Engine ermöglicht, die die richtige RuntimeClass in der Pod-Definition hinzufügt, bevor sie bereitgestellt wird.

Der Artikel bietet auch eine Anleitung zur Einrichtung von Kyverno und zeigt einige Beispielrichtlinien mit RuntimeClass und Kata.

Insgesamt betont der Artikel, dass die Kombination von Kyverno, RuntimeClass und Kata Containers es ermöglicht, ein hohes Maß an Sicherheit zu gewährleisten, ohne die Flexibilität zu beeinträchtigen, die Entwickler für effizientes Arbeiten benötigen.

Quelle: Enhancing Kubernetes Security with Kyverno, RuntimeClass, and Kata Containers von Kata Containers Community, 11. Oktober 2022.

Fallbeispiele: Kata Containers mit Kubernetes

1. Ant Group: Ant Group, der führende Peer-to-Peer-Zahlungsabwickler in China, verarbeitet automatische Online-Zahlungstransaktionen auf Chinas größter digitaler Zahlungsplattform. Für Ant Group sind Funktionen von Kata Containers wie Netzwerkisolierung mit dedizierten Kernels und Performance-Jitter von entscheidender Bedeutung. Mit Kata Containers teilen die Teams von Ant Group nicht mehr viele Host-Kernel-Threads, was zu einer stabileren Serviceleistung führt. Mehr dazu.

2. Alibaba Group: Kata Containers wird nicht nur wegen seiner Sicherheitsisolierung geschätzt, sondern auch für die Bereitstellung von Ressourcen- und Fehlerisolierung. Bei Alibaba Group und Ant Group werden Tausende von Aufgaben in Kata Containers geplant und ausgeführt. Einige dieser Aufgaben sind ressourcen- und reaktionszeitempfindlich. Um Störungen zu vermeiden, werden andere Isolierungsmethoden in Kombination mit Kata Containers verwendet, wie z.B. Scheduling-Isolation und LLC-Isolation. Mehr dazu.

3. Baidu: Baidu bietet AI Cloud- und Edge-Computing-Dienste in großem Maßstab an und nutzt dabei innovative Cloud-Technologien wie Kubernetes, Kata Containers und OpenStack. Teams bei Baidu nutzen nicht nur die größere Isolation, die Kata Containers bietet, sondern integrieren Kata Containers auch in die OpenStack-Infrastrukturen ihrer Kunden. Baidu betrachtet Kata Containers als eine hochsichere und praktische Container-Technologie aus mehreren Gründen, darunter die hohe Leistung und Zuverlässigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Containern und die nahtlose Integration mit Container-Orchestrierungslösungen wie Kubernetes.

Warum genau Kata Containers? In allen drei Fallbeispielen wurde Kata Containers wegen seiner überlegenen Sicherheits- und Isolationsfunktionen gegenüber herkömmlichen Docker-Containern gewählt. Insbesondere in Umgebungen, in denen Tausende von Aufgaben gleichzeitig ausgeführt werden, wie bei Alibaba, oder in denen hochsensible Zahlungstransaktionen verarbeitet werden, wie bei Ant Group, bietet Kata Containers eine zusätzliche Sicherheitsebene, die für den Geschäftsbetrieb von entscheidender Bedeutung ist. Kata Containers ermöglicht es diesen Unternehmen, die Vorteile von Containern zu nutzen, ohne Kompromisse bei der Sicherheit eingehen zu müssen.

Mehr zu den Usecases bei Katacontainers.io.

Kata Container Vorteil 1: Tiefere Isolation

Kata Containers bieten eine tiefere Isolation zwischen den Containern, was zu einer verbesserten Sicherheit führt. Diese Isolation wird durch die Verwendung eines eigenen Kernels für jeden Container erreicht, wodurch potenzielle Angriffe oder Sicherheitsverletzungen isoliert und auf den betroffenen Container beschränkt bleiben.

Kata Container Vorteil 2: Kombination von Effizienz und Sicherheit

Während herkömmliche Container für ihre Geschwindigkeit und Effizienz bekannt sind, bieten Kata Containers diese Vorteile und kombinieren sie mit den Sicherheitsmerkmalen von virtuellen Maschinen (VMs). Dies ermöglicht es Unternehmen, die Vorteile beider Technologien zu nutzen, ohne Kompromisse bei der Sicherheit eingehen zu müssen.

Kata Container Vorteil 3: OCI-Kompatibilität

Kata Containers sind mit dem Open Container Initiative (OCI) Standard kompatibel. Dies gewährleistet eine nahtlose Integration und Interoperabilität mit anderen OCI-konformen Technologien und Tools.

Kata Container Vorteil 4: Starke Open-Source-Community

Das Projekt wird von einer aktiven und gut entwickelten Open-Source-Community unterstützt. Dies fördert ständige Innovationen, regelmäßige Updates und einen offenen Austausch von Best Practices.

Kata Container Vorteil 5: Integration mit Kubernetes

Kata Containers können problemlos in bestehende Container-Orchestrierungstools wie Kubernetes integriert werden, was eine nahtlose Verwaltung und Skalierung von Anwendungen in einer sicheren Umgebung ermöglicht.

Kata Container Nachteil 1: Höherer Ressourcenverbrauch

Durch die zusätzliche Virtualisierungsschicht können Kata Containers einen höheren Ressourcenverbrauch aufweisen im Vergleich zu herkömmlichen Containern. Dies kann zu zusätzlichen Hardwareanforderungen oder Kosten führen.

Kata Container Nachteil 2: Spezifische Anforderungen

Für eine optimale Leistung von Kata Containers sind spezifische Hardware- und Softwarekonfigurationen erforderlich. Dies kann die Einrichtung und den Betrieb in bestimmten Umgebungen erschweren.

Kata Container Nachteil 3: Komplexität

Obwohl Kata Containers viele Vorteile bieten, können sie in der Einrichtung und Verwaltung komplexer sein als herkömmliche Container-Lösungen. Dies erfordert möglicherweise zusätzliches Fachwissen oder Schulungen für IT-Teams.