K8S & Sandboxing

Sep 30, 2025

Kubernetes (k8s) hat sich als Standard für die Orchestrierung von Containern etabliert. Es ermöglicht die automatisierte Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von Anwendungen in isolierten Containern. Die Isolation von Containern ist jedoch nicht perfekt – insbesondere in Multi-Tenancy-Umgebungen oder bei der Ausführung von unvertrauenswürdigem Code können Sicherheitsrisiken entstehen. Mit Hinblick auf den Trend von generiertem Code, lassen sich hier schnell unvorhersehbare Sicherheitslücken bilden. Sandboxing in Kubernetes ist eine Technologie, die diese Lücken schließt, indem sie eine zusätzliche Isolationsebene auf Kernel-Ebene bereitstellt. Im Gegensatz zu traditionellen Container-Sicherheitsansätzen wie seccomp oder AppArmor, die auf der Einschränkung von Systemaufrufen basieren, führt Sandboxing Container in leichtgewichtigen virtuellen Maschinen (MicroVMs) aus, die vom Host-Kernel isoliert sind.

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Wie funktioniert Sandboxing in Kubernetes?

Technische Architektur und Isolationsebenen

Kubernetes-Sandboxing basiert auf der Idee, Container nicht direkt auf dem Host-Kernel auszuführen, sondern in einer isolierten Umgebung, die eine zusätzliche Sicherheitsgrenze darstellt. Diese Isolation kann auf verschiedenen Ebenen realisiert werden:

  • Container-Ebene: Standardmäßig nutzen Kubernetes-Pods Namespaces und cgroups zur Isolation. Diese Mechanismen sind jedoch nicht ausreichend, um Kernel-Exploits oder Container-Escapes zu verhindern.
  • VM-ähnliche Isolation: MicroVMs wie Firecracker oder Kata Containers führen jeden Pod in einer eigenen, minimalen virtuellen Maschine aus. Dies bietet Kernel-Level-Isolation, da jeder Pod einen eigenen Kernel hat, der vom Host-Kernel getrennt ist.
  • User-Space-Sandboxing: gVisor implementiert eine Sandbox, die den Kernel des Hosts durch einen User-Space-Kernel ersetzt, der die Systemaufrufe der Container abfängt und sicher verarbeitet. Dies reduziert die Angriffsfläche, ohne eine vollständige VM zu erfordern.

Die Container Runtime Interface (CRI) ist das zentrale Interface, über das Kubernetes mit der Container-Runtime (z.B. containerd, CRI-O) kommuniziert. Sandboxing-Runtimes wie gVisor oder Kata Containers werden als CRI-kompatible Runtimes integriert und können so nahtlos in Kubernetes genutzt werden.

Wichtige Komponenten

  • CRI (Container Runtime Interface): Standardisierte Schnittstelle zwischen Kubernetes und der Container-Runtime, ermöglicht die Integration von Sandboxing-Runtimes.
  • Pod-Sandbox: Die isolierte Umgebung, in der ein Pod ausgeführt wird. Diese Sandbox kann entweder eine MicroVM oder ein User-Space-Kernel sein.
  • Seccomp und AppArmor: Ergänzende Sicherheitsmechanismen, die Systemaufrufe filtern und die Angriffsfläche weiter reduzieren.
  • Network Policies: Kubernetes-Netzwerkrichtlinien, die die Kommunikation zwischen Pods kontrollieren und so laterale Bewegungen verhindern.

Sicherheitsvorteile von Sandboxing in Kubernetes

Schutz vor Container-Escapes und Kernel-Exploits

Einer der Hauptvorteile von Sandboxing ist der Schutz vor Container-Escapes, bei denen ein Angreifer eine Schwachstelle ausnutzt, um aus dem Container auszubrechen und Zugriff auf das Host-System zu erlangen. Durch die Kernel-Level-Isolation verhindern Sandboxing-Runtimes wie gVisor und Kata Containers, dass ein kompromittierter Container den Host-Kernel beeinflusst.

Beispiel: Die Schwachstelle CVE-2021-4034 (PwnKit) hätte in einer Sandbox-Umgebung keine Auswirkungen auf den Host-Kernel, da die Sandbox den Zugriff auf kritische Kernel-Funktionen einschränkt und die Angriffsfläche reduziert.

Multi-Tenancy-Sicherheit in Shared Clusters

In Multi-Tenancy-Umgebungen, wo mehrere Teams oder Benutzer auf denselben Kubernetes-Cluster zugreifen, ist die Isolation zwischen den Tenants entscheidend. Sandboxing sorgt dafür, dass ein kompromittierter Pod eines Tenants nicht auf Pods oder Daten anderer Tenants zugreifen kann. Die Kombination aus Pod-Sandboxing und Network Policies ermöglicht eine granulare Kontrolle der Kommunikation und des Zugriffs.

Vergleich: Traditionelle Kubernetes-Namespaces bieten nur eine logische Trennung, während VM-basiertes Sandboxing (z.B. Kata Containers) eine physische Trennung der Kernel-Ressourcen bietet und so die Sicherheit deutlich erhöht.

Reduzierung der Angriffsfläche durch Minimalismus

Sandboxing-Runtimes wie gVisor reduzieren die Angriffsfläche, indem sie nur eine minimale Menge an Systemaufrufen und Kernel-Funktionen freigeben. Dies verringert die Möglichkeit von Exploits erheblich. Kata Containers hingegen bieten eine vollständige VM-Isolation, was einen höheren Overhead bedeutet, aber auch eine stärkere Isolation gewährleistet.

Die Kombination mit seccomp-Profilen und AppArmor ermöglicht eine feingranulare Kontrolle der erlaubten Systemaufrufe und erhöht so die Sicherheit weiter.

Zusammenfassend:

Sandboxing in Kubernetes ist eine mächtige Technologie zur Erhöhung der Sicherheit, insbesondere in Multi-Tenancy- und Hochrisiko-Umgebungen. Es bietet Schutz vor Container-Escapes, Kernel-Exploits und lateralen Bewegungen, verbessert die Compliance und ermöglicht eine granulare Isolation von Workloads. Die Wahl zwischen gVisor und Kata Containers hängt von den Anforderungen an Isolation, Performance und Kompatibilität ab.

Für Sicherheitsanalysten ist es entscheidend, Sandboxing als Teil einer umfassenden Sicherheitsstrategie zu betrachten, die auch Pod Security Policies, Network Policies, seccomp, AppArmor und regelmäßige Audits umfasst. Nur so kann ein robustes und sicheres Kubernetes-Cluster betrieben werden, das den Anforderungen moderner, cloud-nativer Anwendungen gerecht wird.

gVisor verursacht einen Performance-Overhead von 10–20%, da es Systemaufrufe im User-Space abfängt und verarbeitet, was besonders bei I/O-lastigen Anwendungen spürbar ist. Die Isolation ist hoch, da ein User-Space-Kernel genutzt wird, der den Host-Kernel vor vielen Exploits schützt, aber nicht alle Kernel-Features unterstützt, was die Kompatibilität einschränken kann. Dies erfordert daher eine genaue Analyse und Abwägung der benötigten Systemaufrufe. Kata Containers bieten eine noch stärkere Isolation durch hardwarebasierte MicroVMs pro Pod, was den Overhead auf 5–15% reduziert, aber höhere Komplexität und Ressourcenanforderungen mit sich bringt. Die Kompatibilität ist hier sehr gut, da fast alle Kernel-Features unterstützt werden. Traditionelle Container (Docker/runc) haben einen minimalen Overhead, da sie direkt auf dem Host-Kernel laufen, bieten aber nur Prozess- und Namespace-Isolation, was für viele Sicherheitsanforderungen nicht ausreicht.

Quellen