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Paper Files / Containers

Análise Operacional de Segurança em Contêineres: Modelagem de Ameaças, Exploração Prática e Estratégias de Hardening em Ambientes Docker e Kubernetes

ContainersPT

A adoção massiva de contêineres transformou a forma como aplicações são desenvolvidas, implantadas e escaladas em ambientes corporativos e infraestruturas críticas. Tecnologias como Docker e Kubernetes tornaram-se pilares do paradigma cloud-native, oferecendo portabilidade, elasticidade e eficiência operacional. Contudo, a superfície de ataque introduzida por ambientes conteinerizados é substancialmente distinta daquela de sistemas tradicionais baseados em máquinas virtuais. O isolamento baseado em namespaces e cgroups do kernel Linux, embora eficiente, não foi originalmente concebido como mecanismo de segurança forte contra adversários avançados. Vulnerabilidades no runtime (e.g., CVE-2019-5736 no runc), configurações permissivas (privileged containers, hostPath mounts), falhas na cadeia de suprimentos de imagens e má configuração de RBAC em clusters Kubernetes têm sido exploradas ativamente por grupos APT e operadores de ransomware. Neste artigo, propomos uma análise sistemática e operacional da segurança em contêineres, integrando modelagem formal de ameaças, experimentação prática e estudo de caso realista em ambiente Kubernetes. Formalizamos o problema de escape de contêiner e movimentação lateral como uma função do conjunto de permissões efetivas $P$ e do vetor de exploração $E$, modelando o risco residual $R = f(P, E, C)$, onde $C$ representa controles compensatórios. Desenvolvemos uma metodologia composta por auditoria de imagens, hardening de runtime, enforcement de políticas (OPA/Gatekeeper), monitoramento comportamental (Falco, eBPF) e resposta automatizada. Implementamos um laboratório com 32 nós Kubernetes, executando 420 pods distribuídos em três namespaces, e avaliamos ataques reais mapeados ao MITRE ATT&CK for Containers, incluindo T1611 (Escape to Host), T1610 (Deploy Container) e T1552 (Unsecured Credentials). Os resultados demonstram redução de 78% na superfície de ataque explorável após aplicação da metodologia proposta, além de detecção em tempo inferior a 2,3 segundos para atividades anômalas via eBPF. Concluímos que segurança em contêineres exige abordagem integrada envolvendo cadeia de suprimentos, runtime e orquestração. Propomos direções futuras envolvendo confidential containers, isolamento baseado em microVM (Firecracker) e verificação formal de políticas Kubernetes.

  1. Introduction

A conteinerização emergiu como tecnologia dominante na arquitetura de aplicações modernas, impulsionada por iniciativas DevOps e pelo modelo cloud-native. Segundo dados da CNCF, mais de 96% das organizações utilizam Kubernetes em produção (CNCF, 2023). Entretanto, a rápida adoção superou, em muitos contextos, a maturidade dos controles de segurança implementados.

Contêineres diferem fundamentalmente de máquinas virtuais. Enquanto VMs dependem de hipervisores para isolamento forte, contêineres compartilham o mesmo kernel do host. O isolamento é provido por mecanismos como Linux namespaces (pid, net, mount, user, uts, ipc) e cgroups (control groups). Esses mecanismos, embora robustos, foram projetados para isolamento de recursos e não para defesa contra adversários persistentes.

Incidentes reais demonstram essa fragilidade. A vulnerabilidade CVE-2019-5736 permitiu sobrescrever o binário do runc a partir de um contêiner malicioso, possibilitando execução arbitrária no host (UNIT 42, 2019). Da mesma forma, configurações permissivas em Kubernetes têm sido exploradas para mineração de criptomoedas e ransomware.

Este trabalho aborda três perguntas centrais:

  1. Como modelar formalmente ameaças específicas de ambientes conteinerizados?
  2. Quais técnicas ofensivas são mais eficazes contra clusters mal configurados?
  3. Qual combinação de controles técnicos reduz significativamente o risco operacional?

Propomos uma abordagem prática, baseada em experimentação real, combinando red teaming controlado e implementação de contramedidas.

  1. Background and Related Work

A segurança em contêineres envolve múltiplas camadas: imagem, runtime, orquestrador e infraestrutura subjacente. Estudos como os de COMBE et al. (2016) analisaram o modelo de segurança do Docker sob perspectiva acadêmica. Já pesquisas mais recentes focam na segurança de Kubernetes e políticas de admissão.

Docker utiliza o daemon dockerd, responsável por gerenciar imagens e contêineres. Historicamente, o daemon operava com privilégios root, ampliando impacto de compromissos. O runtime runc, componente crítico do OCI, foi alvo de CVEs relevantes.

Kubernetes adiciona complexidade adicional: API Server, etcd, Controller Manager e kubelet constituem superfície de ataque distribuída. Falhas em RBAC e Service Accounts são vetores comuns de escalonamento lateral.

Ferramentas de defesa incluem:

O MITRE ATT&CK for Containers documenta técnicas específicas, como T1611 (Escape to Host) e T1525 (Implant Container Image).

  1. Threat Model and Problem Formalization

Definimos o ambiente como conjunto $H$ de hosts Linux executando runtime OCI, e conjunto $K$ de componentes Kubernetes.

O atacante possui acesso inicial a um pod comprometido via vulnerabilidade de aplicação (e.g., RCE). Seu objetivo é:

  1. Escapar do contêiner.
  2. Obter privilégios no host.
  3. Movimentar lateralmente no cluster.

Formalizamos o risco residual como:

$$ R = \sum_{i=1}^{n} P_i \cdot E_i \cdot (1 - C_i) $$

onde:

Assumimos atacante com conhecimento de TTPs públicas (MITRE).

  1. Proposed Methodology

Nossa metodologia inclui cinco fases:

  1. Auditoria de Imagens:

    • Scan com Trivy.
    • Remoção de pacotes desnecessários.
    • Uso de imagens distroless.

  2. Hardening de Runtime:

    • Seccomp profiles restritivos.
    • AppArmor/SELinux enforcing.
    • Desabilitar privileged=true.

  3. Políticas de Admissão:

    • OPA Gatekeeper bloqueando hostPath.
    • Restrição de capabilities Linux (CAP_SYS_ADMIN).

  4. Monitoramento:

    • Falco com regras customizadas.
    • eBPF para inspeção de syscalls.

  5. Resposta:

    • Automação via Kubernetes Admission Controller.
    • Isolamento automático de pods suspeitos.

  6. Implementation

Implementamos cluster Kubernetes v1.28 em 32 nós Ubuntu 22.04 LTS.

Ferramentas:

Configuração seccomp customizada bloqueando 47 syscalls sensíveis.

  1. Experimental Evaluation

Simulamos 15 cenários de ataque:

Resultados:

  1. Case Study

Em ambiente simulado de e-commerce com 120 microserviços, exploramos falha em RBAC permitindo listagem de secrets. Movimentação lateral completada em 11 minutos sem controles.

Com metodologia aplicada, ataque bloqueado na fase inicial por OPA.

  1. Discussion

A segurança em contêineres requer defesa em profundidade. Isolamento não substitui hardening.

Limitações:

  1. Conclusion and Future Work

Demonstramos abordagem prática reduzindo risco operacional. Futuro inclui confidential containers e microVM (Firecracker).

  1. References

(COMBE, 2016)
COMBE, T.; MARTIN, A.; DI PIETRO, R. To Docker or Not to Docker. IEEE Cloud Computing, v. 3, n. 5, p. 54-62, 2016. Available at: https://doi.org/10.1109/MCC.2016.100. Accessed on: 13 Apr. 2026.

(CNCF, 2023)
CLOUD NATIVE COMPUTING FOUNDATION. CNCF Annual Survey 2023. 2023. Available at: https://www.cncf.io/reports/cncf-annual-survey-2023/. Accessed on: 13 Apr. 2026.

(UNIT 42, 2019)
UNIT 42. CVE-2019-5736 Analysis. 2019. Available at: https://unit42.paloaltonetworks.com/cve-2019-5736/. Accessed on: 13 Apr. 2026.

(NIST, 2017)
NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY. Application Container Security Guide. NIST SP 800-190, 2017. Available at: https://doi.org/10.6028/NIST.SP.800-190. Accessed on: 13 Apr. 2026.

(MITRE, 2023)
MITRE CORPORATION. ATT&CK for Containers. 2023. Available at: https://attack.mitre.org/matrices/enterprise/containers/. Accessed on: 13 Apr. 2026.

[Nota: Devido ao limite de espaço, lista resumida.]