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云计算基础知识

news 2024/11/14 13:45:03

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一、什么是云

二、云架构介绍

1. 技术基础的重要性

2. 技术演变

3. 云计算

4. 攻防双方的相互了解

三、云服务

关键特点：

四、云分类

1. 基础设施即服务（IaaS）

2. 平台即服务（PaaS）

3. 软件即服务（SaaS）

五、共享责任模型

1. 云服务提供商的责任

2. 客户的责任

3. 责任划分的例子

4. 重要性

六、云架构

1. 虚拟化

2. 容器

七、云架构设计

1. 组件选择

2. 基础设施即代码（IaC）

八、集成部署

1. 持续集成和持续交付（CI/CD）

2. 自动化测试和部署（GitOps）

3. 弹性和可靠性

4. 全球负载均衡（GSLB）

5. 平衡控制和可用性

6. 单点故障（SPOF）

九、云设计模式

1. 微服务架构

2. 零信任架构

十、安全控制

1. 网络控制

2. 身份管理

十一、容器与云

1. 容器化的优势

2. 容器与虚拟化的互补关系

3. 容器的系统开销

4. 应用组件的分离

5. 容器映像和运行

十二、容器的真相

容器的本质

容器的历史

Linux中的用户命名空间

十三、Capabilities

Capabilities的概念

Docker与Capabilities

常见的Capabilities

安全考虑

一、什么是云

"云"通常指的是云计算（Cloud Computing），这是一种通过互联网提供计算资源（包括服务器、存储、数据库、网络、软件等）的服务模式。用户和组织可以按需访问这些资源，而无需直接管理底层的硬件。

云计算的核心特点包括：

按需自助服务：用户可以根据自己的需求，随时获取和调整计算资源。
广泛的网络访问：服务可以通过网络访问，通常是通过标准的机制，如Web浏览器。
资源池化：提供商的计算资源被集中管理，以多租户模式服务多个用户，资源根据需求动态分配。
快速弹性：即使在需求急剧变化的情况下，用户也能快速扩展或缩减资源。
按使用量付费：用户只需为实际使用的计算资源付费，这通常涉及到一些形式的定价模型，如按使用量计费。

二、云架构介绍

1. 技术基础的重要性

防御系统：了解底层技术可以帮助构建更坚固的安全防御体系。这包括了解网络架构、操作系统、应用程序的工作原理以及如何保护它们免受攻击。
进攻系统：同样，了解底层技术对于攻击者来说，可以帮助他们发现系统中的漏洞，并开发出利用这些漏洞的方法。这对于安全研究人员（如渗透测试人员）来说同样重要，他们通过这种方式来评估系统的安全性。

2. 技术演变

传统基础设施：过去，构建系统需要购买物理设备、租用数据中心空间，并手动搭建基础设施。这个过程既耗时又昂贵。
虚拟化技术：随着处理器技术的发展，虚拟化技术应运而生。虚拟机（VMs）允许单个物理服务器被分割成多个虚拟服务器，每个虚拟机都可以运行不同的操作系统和应用程序。这大大提高了资源利用率和灵活性。
容器化技术：容器化技术进一步推动了效率的提升。容器共享主机操作系统的内核，但彼此隔离，这使得它们比虚拟机更轻量级、启动更快，且资源利用率更高。

3. 云计算

云基础设施：现代的云基础设施不仅仅是单一的技术，而是多种技术的集合，包括虚拟化、容器化、自动化、服务编排等。这些技术共同工作，提供了一个高度可扩展、灵活且成本效益的计算环境。
云的优势：云计算提供了按需自助服务、广泛的网络访问、资源池化、快速弹性和按使用量付费等特点，使得用户可以轻松地获取和管理计算资源。

4. 攻防双方的相互了解

在网络安全领域，攻击者和防御者之间的“军备竞赛”一直在进行。双方都需要不断学习和适应新的技术，以保持领先。防御者需要了解攻击者可能使用的技术，而攻击者也需要了解防御者可能部署的防御措施。

云架构是一个综合性的领域，涉及到技术、管理和策略等多个方面，以确保云计算环境的高效运行和业务目标的实现。随着技术的发展，云架构也在不断演进，以适应新的业务需求和挑战。

三、云服务

云服务是指通过互联网提供的各种计算服务，包括服务器、存储、数据库、网络、软件、分析和更多。用户和组织可以按需访问这些服务，而无需直接管理底层的硬件。以下是云服务的一些关键特点和类型：

关键特点：

资源抽象：
- 云计算将复杂的硬件和软件资源抽象化，使得用户无需关心底层的具体实现，只需关注如何使用这些资源来满足自己的业务需求。
容错能力：
- 云基础设施设计有冗余机制，能够在硬件或软件故障时自动恢复服务，确保高可用性和业务连续性。
地理分布：
- 云服务提供商在全球多个地区设有数据中心，这不仅有助于减少数据传输延迟，提高访问速度，还增强了数据的地理冗余，提高了灾难恢复能力。
可扩展性：
- 用户可以根据需求快速扩展或缩减资源，如计算能力、存储空间等，这种弹性使得云服务能够适应不断变化的业务需求。
按需交付：
- 云服务允许用户根据实际使用情况来获取资源，这种按需付费的模式提高了资源利用率，降低了成本。
自动化：
- 云平台提供自动化工具，用户可以通过简单的命令或点击操作来创建和管理服务器、存储和网络资源，无需人工干预。
稳定性：
- 云基础设施必须保持高度稳定，以确保服务的连续性和可靠性，减少服务中断对用户业务的影响。
快速扩展：
- 云服务能够迅速响应资源需求的变化，无论是临时的峰值负载还是长期的业务增长，都能快速提供所需的资源。

这些特性共同构成了云计算的基础，使其成为现代企业和个人用户越来越依赖的IT资源交付方式。云计算的灵活性、可扩展性和成本效益是其主要优势，同时也推动了数字化转型和创新。

四、云分类

您提供的这段描述简洁地概括了云计算的三种主要服务模型，每种模型都提供了不同层次的服务和抽象级别，以满足不同用户的需求。以下是对这三种服务模型的更详细解释：

1. 基础设施即服务（IaaS）

定义：IaaS 提供虚拟化的计算资源，包括服务器、存储和网络资源，用户可以在这些资源上部署和运行任何操作系统和应用程序。
用户控制：用户拥有较高的控制权，可以管理操作系统、应用程序和运行时环境，但不需要管理底层的物理基础设施。
例子：Amazon Web Services (AWS) 的 EC2、Microsoft Azure 的虚拟机、Google Cloud Platform (GCP) 的 Compute Engine。

2. 平台即服务（PaaS）

定义：PaaS 提供了一个平台，允许用户开发、运行和管理应用程序，而无需关心底层硬件和操作系统的维护。
用户控制：用户控制应用程序和应用程序的部署环境，但对底层基础设施的控制有限。
例子：Heroku、Google App Engine、Microsoft Azure App Service。

3. 软件即服务（SaaS）

定义：SaaS 提供完全托管的应用程序，用户可以直接通过互联网访问和使用这些应用程序，而无需安装和维护任何软件。
用户控制：用户通常只能控制应用程序的数据和某些配置设置，对应用程序本身的控制非常有限。
例子：Google Workspace（包括Gmail、Google Drive等）、Microsoft Office 365、Salesforce。

这三种服务模型各有优势和适用场景：

IaaS 适合需要高度定制和控制的企业和开发人员。
PaaS 适合希望专注于应用程序开发和部署，而不想管理底层基础设施的开发者。
SaaS 适合需要快速部署和使用应用程序的企业和个人，无需关心应用程序的维护和升级。

随着云计算技术的发展，这些服务模型也在不断演进，以提供更多的功能和更好的用户体验。

五、共享责任模型

共享责任模型（Shared Responsibility Model）是云计算中用来描述云服务提供商和客户在安全和合规方面各自承担的责任的框架。这个模型有助于明确双方在保护数据和应用程序安全方面的角色和责任。以下是共享责任模型的一些关键点：

1. 云服务提供商的责任

物理安全：云服务提供商负责数据中心的物理安全，包括数据中心的访问控制、监控和安全措施。
基础设施安全：提供商负责云基础设施的安全，包括网络、服务器和存储的安全。
服务可用性：提供商承诺服务的可用性和可靠性，确保服务的连续性和容错能力。
数据加密：虽然某些提供商会提供数据加密服务，但这通常是在客户控制的层面上进行的。

2. 客户的责任

数据安全：客户负责保护存储在云中的数据，包括数据的加密、访问控制和数据备份。
访问管理：客户需要管理对云资源的访问，包括用户认证和授权。
应用程序安全：客户负责开发和部署安全的应用程序，包括代码的安全和应用程序的漏洞管理。
配置管理：客户负责云资源的配置，包括网络配置和安全组的设置。

3. 责任划分的例子

AWS：AWS 对数据中心的物理安全负责，如果由于数据中心的物理安全问题导致客户数据被盗，AWS 会承担责任。但如果是由于客户应用程序的漏洞导致数据泄露，责任则由客户承担。
Azure 和 GCP：其他主要云服务提供商也有类似的责任划分模型，强调了客户在数据和应用程序安全方面的责任。

4. 重要性

共享责任模型强调了云安全是一个共同的责任，需要云服务提供商和客户共同努力。这种模型有助于客户理解他们在云安全中的角色，并采取适当的措施来保护他们的数据和应用程序。同时，它也提醒客户不能完全依赖云服务提供商来保证所有方面的安全，特别是在数据和应用程序层面。

六、云架构

1. 虚拟化

虚拟化技术是云计算的基石之一，它允许单个物理服务器被分割成多个虚拟机（VMs），每个虚拟机都可以独立运行自己的操作系统和应用程序。这种技术带来了以下优势：

资源利用率提升：通过虚拟化，一台服务器的资源可以被多个虚拟机共享，从而提高了硬件资源的利用率。
灵活性和可扩展性：虚拟机可以根据需要快速创建、删除或修改，使得资源管理更加灵活和可扩展。
隔离性：每个虚拟机都是相互隔离的，一个虚拟机的问题不会直接影响到其他虚拟机。
抽象硬件：虚拟化抽象了硬件安装过程，使得在不同硬件上部署和管理应用程序变得更加简单。
云原生：虽然虚拟化技术并非专为云而生，但它为云计算的发展提供了基础，并且随着技术的发展，虚拟化技术也在不断改进以更好地适应云环境。

2. 容器

容器技术是云计算中的另一种重要技术，它提供了一种轻量级、高效的应用隔离和打包方式。容器的关键特点包括：

轻量级：容器共享宿主机的操作系统内核，不需要为每个应用运行完整的操作系统，因此比虚拟机更轻量级。
启动速度快：由于容器不需要启动完整的操作系统，容器的启动速度通常比虚拟机快得多。
可移植性：容器可以将应用程序及其依赖打包在一起，确保应用程序在不同环境中的一致性。
微服务架构：容器非常适合微服务架构，每个容器可以运行一个微服务，便于开发、测试和部署。
资源效率：容器可以更高效地使用系统资源，因为它们不需要为每个应用维护一个完整的操作系统。
网络抽象：容器技术提高了网络抽象程度，使得容器间的网络通信更加灵活和高效。
扩展性：容器使得应用的扩展变得更加容易，可以根据需求快速增加或减少容器实例。

虚拟化和容器化是构建现代云架构的两个关键技术，它们使得资源管理更加高效，应用部署更加灵活，并且为云服务的快速发展提供了技术支持。

七、云架构设计

1. 组件选择

在云架构设计中，选择合适的组件是至关重要的，因为这些选择将直接影响到系统的灵活性、可扩展性和安全性。以下是一些关键考虑因素：

架构确定性：一旦架构确定，后续更改可能会非常困难和昂贵。因此，需要仔细规划和选择合适的组件。
绑定与非绑定组件：选择组件时，需要考虑它们是否与特定的云服务提供商绑定。非绑定组件可以提供更好的灵活性和可移植性。
开发、开源或购买：组织可以根据自己的需求和能力，选择自己开发组件、使用开源解决方案或购买商业产品。
云原生组件：云原生组件专为分布式系统设计，可以更好地适应云环境的动态性和可扩展性。云原生计算基金会（CNCF）提供了许多云原生技术，但CNCF认证并不是选择组件的唯一标准。
安全编码：安全性是云架构设计中的一个关键考虑因素。需要确保所有组件都遵循安全编码的最佳实践，以减少安全漏洞的风险。
开源组件：使用开源组件可以降低成本，同时利用社区的力量进行创新和改进。但也需要考虑开源组件的安全性和维护问题。

2. 基础设施即代码（IaC）

IaC是一种将基础设施管理自动化的方法，它允许基础设施被声明性地定义为代码，从而实现版本控制、复现和自动化管理。以下是一些常用的IaC工具：

引导介质（Packer）：Packer是一个开源工具，用于创建虚拟机的镜像。它允许定义镜像的配置为代码，并自动生成多种类型的镜像文件。
安装系统（Terraform）：Terraform是一个流行的IaC工具，允许使用HCL（HashiCorp配置语言）定义基础设施，并支持多种云服务提供商。Terraform可以自动化基础设施的创建、更新和销毁。
自动配置（Ansible）：Ansible是一个开源的自动化工具，用于配置管理、应用部署和任务执行。它使用YAML格式的剧本，可以通过推送方式自动化配置管理和应用部署。
状态强制（Monit）：Monit是一个开源的监控工具，用于管理Unix系统上的进程和服务。它可以确保进程和服务按照预期运行，并在出现问题时自动恢复。

通过使用IaC，组织可以提高基础设施的一致性、可重复性和可维护性，同时减少人为错误和提高效率。IaC是现代云架构设计中不可或缺的一部分，它帮助组织更好地管理和扩展其云资源。

八、集成部署

1. 持续集成和持续交付（CI/CD）

持续集成（CI）：开发人员频繁地将代码变更集成到主分支。每次集成都通过自动化测试来验证，以便尽早发现集成错误。
持续交付（CD）：在持续集成的基础上，CI/CD管道自动将软件变更部署到测试、暂存和生产环境。这使得软件发布更加快速和可靠。

2. 自动化测试和部署（GitOps）

GitOps：是一种使用Git仓库来管理基础设施和应用配置的方法。在GitOps流程中，所有的变更都是通过提交到Git仓库来完成的，然后自动触发CI/CD管道进行测试和部署。

3. 弹性和可靠性

冗余：系统设计时需要考虑到冗余，确保任何单点故障都有备份或故障转移机制，以保证业务的持续运行。
故障转移：当主系统发生故障时，自动切换到备用系统，以最小化服务中断。

4. 全球负载均衡（GSLB）

GSLB：通过在全球范围内分配流量，GSLB可以提高应用的可用性和响应速度。它通过智能DNS或全局流量管理（GTM）等技术，根据用户位置和服务器负载情况，将用户请求路由到最近的数据中心。

5. 平衡控制和可用性

安全控制：在保护系统免受漏洞和内部攻击的同时，也需要确保系统的可用性和用户体验不受影响。这可能涉及到实施访问控制、安全监控和入侵检测系统等安全措施。
合规性：确保安全控制符合行业标准和法规要求，如GDPR、HIPAA等。

6. 单点故障（SPOF）

避免SPOF：在系统设计中，需要识别并消除单点故障，以提高系统的弹性。这可能涉及到使用多个数据中心、多个服务实例和数据备份等策略。

通过实施CI/CD、GitOps、冗余设计和全球负载均衡等策略，组织可以构建一个既快速又可靠的软件开发和部署流程，同时确保系统的高可用性和安全性。这些实践帮助组织在快速交付软件的同时，也能够有效管理和减轻风险。

九、云设计模式

1. 微服务架构

微服务架构是一种将应用程序分解为一组小型、松散耦合的服务的方法，每个服务实现特定的业务功能，并可以独立部署和扩展。

松散耦合：微服务之间通过定义良好的API进行通信，减少了服务间的依赖，使得每个服务可以独立开发和部署。
模块化：每个微服务都是一个独立的模块，专注于单一的业务功能，这使得系统更加模块化，易于理解和维护。
独立修改和重用：由于服务的独立性，可以对单个服务进行修改和重用，而不影响其他服务。
弹性和容错：微服务架构提高了系统的弹性和容错能力，因为单个服务的故障不会导致整个系统的崩溃。
水平扩展：微服务可以水平扩展，即通过增加更多的实例来处理更多的负载。
安全优势：每个微服务可以独立进行安全加固和隔离，减少了单一服务漏洞对整个系统的影响。
调试复杂性：由于服务间的交互增多，调试变得更加复杂，需要跨服务跟踪事务和日志。
性能问题：服务间的网络通信可能导致性能瓶颈，需要通过缓存、服务发现和负载均衡等技术来优化。

2. 零信任架构

零信任架构是一种安全模型，它假设网络内部和外部都是不可信的，对每个请求都进行验证和授权。

验证和授权：在零信任架构中，对资源的每个请求都需要验证请求来源是否已授权，然后授予短期访问权限。
Open ID Connect（OIDC）：OIDC是一种实现零信任架构的常见方法，它提供了一种基于令牌的身份验证和授权机制。
联盟访问：在零信任架构中，用户在授权期间可以访问任何联合内服务，这要求有一个集中的身份提供者（IdP）来管理身份和访问控制。
密码重置攻击：零信任架构需要特别注意密码重置的安全性，因为这是攻击者常用的攻击方式之一。

采用这些设计模式可以帮助组织构建更加灵活、可扩展和安全的云应用程序。微服务架构适合需要高度灵活性和可扩展性的系统，而零信任架构则提供了一种全面的安全方法，适用于对安全性要求较高的环境。通过结合这些设计模式，组织可以构建出既高效又安全的云系统。

十、安全控制

“安全控制”是云计算中至关重要的一部分，涉及到保护云资源和数据免受未授权访问和攻击的策略和技术。以下是对这两个关键领域的详细解释：

1. 网络控制

网络控制在云安全中扮演着重要角色，确保只有授权的流量和用户能够访问云资源。

软件定义网络（SDN）：SDN是一种网络架构，允许网络管理员通过软件来控制网络流量，而不是传统的硬件路由器和交换机。这使得网络管理更加灵活和可编程。
软件定义广域网（SD-WAN）：SD-WAN是一种技术，它使用软件来管理广域网（WAN）的流量，优化网络性能和成本。
网络规则：SDN允许对不同的接口（如API或GUI）设置网络规则，提供更细粒度的访问控制。
mTLS（双向TLS）：mTLS是一种安全协议，它不仅加密客户端和服务器之间的流量，还对双方进行身份验证。这确保了只有拥有有效证书的客户端才能访问微服务。
访问管理：不正确的访问管理可能导致权限提升和安全漏洞，甚至可能破坏整个基础设施。现代访问管理系统通常使用令牌（如JWT）来提供对服务的短期访问权。
JWT（JSON Web Tokens）：JWT是一种令牌标准，用于在网络应用环境间安全地传递声明。它通常用于身份验证和信息交换。
强制访问控制（MAC）：MAC是一种安全模型，其中访问权限由系统管理员或系统策略强制执行，而不是由数据所有者控制。

2. 身份管理

身份管理是确保正确用户或系统能够访问正确资源的关键。

AD（Active Directory） 和 LDAP（轻量级目录访问协议）：这些是传统的企业身份管理解决方案，用于集中管理用户身份和访问权限。
AWS IAM（Identity and Access Management）：AWS IAM是AWS提供的一种服务，允许用户控制对AWS资源的访问。它允许创建用户、组和角色，并分配权限。
Google OIDC（OpenID Connect）：OIDC是一种身份验证协议，建立在OAuth 2.0之上，用于以安全和可扩展的方式进行身份验证。它常用于实现单点登录（SSO）和双因素认证（2FA）。
云身份提供者（IdP）：云身份提供者是一种服务，它作为真实身份的来源，提供身份验证和授权。例如，Azure AD是一种云身份提供者，它允许用户使用单一身份登录到多个应用程序和服务。

通过实施这些安全控制措施，组织可以保护其云环境免受内部和外部的威胁，确保数据和资源的安全。这些措施需要定期审查和更新，以应对不断变化的安全威胁。

十一、容器与云

“容器与云”强调了容器技术在云计算中的重要性和优势。以下是对容器技术及其与云计算关系的详细解释：

1. 容器化的优势

容器化技术提供了一种轻量级、高效的应用隔离和打包方式，与虚拟机相比具有以下优势：

更小的开销：每个容器不需要运行完整的操作系统，因此比虚拟机更轻量级，启动更快，资源利用率更高。
更快的启动时间：由于容器共享宿主机的操作系统内核，它们可以几乎瞬间启动，而虚拟机需要启动完整的操作系统。
更高的效率：容器可以更高效地使用系统资源，因为它们不需要为每个应用维护一个完整的操作系统。

2. 容器与虚拟化的互补关系

补充而非取代：容器技术并不是要取代虚拟化技术，而是提供了另一种选择，特别是在需要快速部署和管理大量应用实例的场景中。
不同的使用场景：虚拟机适合于需要完整操作系统隔离的场景，而容器适合于微服务架构和应用组件的隔离。

3. 容器的系统开销

更小的系统开销：容器因为共享宿主机的操作系统内核，所以系统开销更小，这使得它们在资源受限的环境中表现更好。

4. 应用组件的分离

微服务架构：容器技术使得应用可以被分解成更小的、独立的服务，每个服务都可以独立部署、扩展和维护，这符合微服务架构的原则。
功能分离：容器化允许将应用的不同功能（如搜索、登录、查询、订单处理）分离到不同的容器中，提高了应用的可维护性和可扩展性。

5. 容器映像和运行

容器映像：容器使用映像作为模板生成，映像包含了运行应用所需的代码、运行时环境、系统工具、系统库等。
计算机硬盘的比喻：可以将容器映像比作计算机硬盘，它包含了启动容器所需的所有内容。
不同发行版文件：容器可以使用不同的操作系统发行版文件来加载内核，这使得容器可以在不同的环境下运行相同的应用。

容器技术与云计算的结合，特别是在云原生应用的开发和部署中，提供了极大的灵活性和可扩展性。容器化技术已经成为现代云架构中不可或缺的一部分，它使得应用的部署、管理和扩展变得更加容易和高效。

十二、容器的真相

“容器的真相”揭示了Linux容器技术的本质和历史发展。以下是对这些关键点的进一步解释：

容器的本质

在Linux中，容器并不是一个单一的特性，而是由一系列内核特性组合而成的，这些特性共同工作以提供进程和资源的隔离。这些特性包括：

命名空间（Namespaces）：Linux命名空间允许多个进程组共享相同的网络、文件系统、进程ID等资源，但每个组都认为自己是独立的。这是实现容器隔离的核心特性。
控制组（cgroups）：cgroups允许对一组进程的资源使用进行细粒度的控制和监控，例如限制内存和CPU使用量。这有助于实现资源的配额和限制。

容器的历史

容器技术的发展经历了几个重要的阶段：

chroot（1970年代）：chroot允许进程将根目录改变到指定的目录，从而限制进程对文件系统的访问。虽然chroot提供了一定程度的隔离，但它并不完美，因为它不能隔离网络和其他系统资源。
FreeBSD Jails（1999年）：FreeBSD引入了Jails，这是一种更为严格的隔离机制，可以在chroot的基础上提供更多的安全限制。然而，Linux并没有直接支持Jails。
命名空间（2002年）：Linux引入了命名空间，这是一种更为强大的隔离机制，可以分离内核资源，如网络、进程ID等。
cgroups（2006年）：谷歌引入了cgroups，这是一种控制组机制，用于限制和监控进程组的资源使用。结合命名空间和cgroups，Linux容器（LXC）项目得以发布。