Kubernetes安全之认证与授权 (kubernetes)

背景

随着云计算和微服务架构的普及，容器技术已经成为了企业和开发者构建、部署和管理应用程序的首选方案。Kubernetes作为一个开源的容器编排平台，已经成为了容器化应用程序的事实标准。然而，随着Kubernetes在生产环境中的广泛应用，安全问题也日益凸显，这些安全事件给企业和开发者带来了巨大的损失，也使得Kubernetes安全成为了业界关注的焦点。本文将探讨Kubernetes安全中的认证和授权，为相关研究和实践提供参考。

Kubernetes介绍

Kubernetes是一款开源的容器编排系统，能够自动化地部署、扩展和管理容器化的应用程序。它最初由Google设计和开发，现在由Cloud NATive Computing Foundation (CNCF)维护。

Kubernetes最初由Google设计和开发。Google内部的Borg系统启发了Kubernetes的设计，并帮助Google处理了数百万个容器实例的管理。Kubernetes项目于2014年6月正式发布，当时的版本为v0.1。自那以后，Kubernetes不断发展壮大，成为了一个成熟的、开源的容器编排系统，广泛应用于企业的生产环境中。现在，Kubernetes由Cloud Native Computing Foundation (CNCF)维护，成为了CNCF的毕业项目之一。

Kubernetes的目标和优势

Kubernetes的目标是帮助企业更好地管理和协调容器化的应用程序。通过使用Kubernetes，运维人员和开发人员可以更快速、更可靠地部署和运行容器化的应用程序。它提供了一系列的API和工具，可以自动化地处理容器的部署、扩展、负载均衡、网络、存储和安全等方面的问题。同时，Kubernetes可以支持多种容器运行时，如Docker、rkt等。

Kubernetes的优势包括：

Kubernetes相关概念

node介绍

在Kubernetes集群中，node是一个关键概念，它为运行容器和部署应用程序提供必需的资源和环境。通过使用node，能够更加高效地管理集群内的容器化应用程序。node可以部署在同一台物理机器上，也可以部署在不同的物理机器上，实现高可用性和负载均衡。

Kubernetes的整体架构由Master节点和Worker节点组成。Master节点作为集群的控制中心，负责管理整个集群的状态，以及应用程序的部署、伸缩、升级和运维等任务。而Worker节点则承担着运行应用程序的职责，负责运行容器并提供应用程序服务。

在Kubernetes集群中，Master节点主要包括以下几个组件：

在Kubernetes集群中，Master节点的API Server、etcd、Controller Manager和Scheduler四个组件相互协作，共同维护和管理集群的状态。API Server作为集群的前端，负责处理用户请求和与其他组件通信；etcd负责存储集群的状态信息；Controller Manager负责管理控制器，确保集群的实际状态与期望状态一致；Scheduler负责为新创建的Pod选择合适的节点进行部署。这四个组件共同构成了Kubernetes集群的核心架构。

而Worker节点则包括以下组件：

Kubelet、kube-proxy和Container Runtime是Worker节点上的三个关键组件。Kubelet负责与Master节点通信并管理容器的生命周期，kube-proxy负责实现服务发现和负载均衡，而Container Runtime则负责实际运行容器。这三者共同协作，确保Kubernetes集群中的容器化应用能够高效、稳定地运行。

Master节点与Worker节点之间的通信至关重要，它使得Kubernetes集群中的各个组件能够协同工作。在Kubernetes架构中，Master节点和Worker节点可以部署在同一台物理机器上，也可以部署在不同的物理机器上，以实现高可用性和负载均衡。

Kubernetes还包含一些其他组件，如Ingress Controller和Service Mesh等，它们为Kubernetes集群提供更高级的功能和服务。

pod介绍

Pod是Kubernetes核心概念之一，提供容器间通信、数据共享和资源隔离机制。当需要运行容器时，Kubernetes调度器创建Pod，分配给可用的Worker节点。在该节点上，kubelet运行Pod中的容器，kube-proxy确保Pod访问正确的服务和资源。

Pod旨在支持多个容器协同工作，如一个Web应用可能需Nginx容器处理网络请求，node.js容器处理应用逻辑。两个容器组成一个Pod，共享网络和存储资源。Pod内容器共享网络命名空间和存储卷，轻松相互通信和共享数据。每个容器在Pod中运行独立应用程序或服务，拥有独立生命周期。

Pod是临时、短暂存在的实体。容器故障或需升级时，删除Pod，创建新Pod替代。Kubernetes确保新Pod中的容器保留旧Pod数据和状态，确保应用程序高可用性和灵活性，满足企业需求。

namespace介绍

在Kubernetes中，Namespace是一种虚拟的集群划分方式，用于将一个物理集群划分为多个逻辑集群。每个Namespace都具有自己的资源限制和授权策略，可以用来隔离不同的应用程序或用户。通过使用Namespace，企业可以更好地管理Kubernetes集群中的应用程序和资源。例如，可以为不同的团队或部门分配不同的Namespace，实现资源隔离和授权控制。

Kubernetes默认提供三个Namespace：default、kube-system和kube-public。default Namespace用于存放应用程序的默认资源，kube-system Namespace用于存放Kubernetes系统的资源，kube-public Namespace用于存放公共资源。除此之外，用户还可以创建自己的Namespace，用于存放特定的应用程序和资源。

Namespace中可以创建各种Kubernetes资源，如Pod、Service、Volume等。这些资源只能在同一Namespace中使用，不能跨Namespace使用。例如，一个Pod只能访问同一Namespace中的其他Pod和Service，不能访问其他Namespace中的资源。这样可以确保资源的隔离和安全性。

Namespace和Node

Node和Namespace是相互独立的概念，它们在Kubernetes集群中扮演着不同的角色。Node关注的是集群的物理层面，如服务器、网络等，而Namespace关注的是集群的逻辑层面，如资源隔离、权限控制等。Node和Namespace之间没有直接的关联关系。一个Node可以运行属于不同Namespace的Pods，而一个Namespace中的资源可以分布在多个Node上。换句话说，Namespace的划分不受Node的限制，它们可以跨越整个集群。

尽管Node和Namespace之间没有直接关联，但它们在Kubernetes集群中共同协作，共同支持容器化应用程序的运行。例如，当在某个Namespace中创建一个新的Deployment时，Kubernetes会根据集群的资源情况，自动选择合适的Node来运行相应的Pods。

总之，Node和Namespace在Kubernetes中是两个独立但互相协作的概念。Node负责提供集群的计算、存储和网络资源，而Namespace负责在逻辑层面上对集群资源进行划分和管理。它们共同构成了Kubernetes集群的基础架构，支持容器化应用程序的高效运行。

Kubernetes namespace和linux内核 namespace

Kubernetes命名空间与Linux操作系统命名空间在概念上具有相似性，但在实际应用中所扮演的角色有所不同。Kubernetes命名空间主要关注集群内资源和对象的逻辑隔离，而Linux操作系统命名空间则关注在内核级别实现资源隔离。可以将这两者视为在不同层次上实现资源隔离的技术。

Kubernetes中的Pod与Linux操作系统命名空间之间存在联系，主要体现在Pod的底层实现。在Kubernetes中，Pod的创建和管理依赖于容器技术，如Docker或rkt。这些容器技术利用Linux操作系统命名空间为每个容器提供隔离环境。当Kubernetes调度并运行一个Pod时，底层容器运行时会使用Linux命名空间为Pod中的容器创建一个独立的运行环境。

service介绍

在Kubernetes中，Service是一种抽象的资源，用于公开应用程序中的一组Pod，并为它们提供网络连接。Service将多个Pod公开为单个逻辑应用程序，并为它们提供一个稳定的IP地址和端口，使它们在整个集群中可访问。

Service通过一组标签选择器来选择要公开的Pod。Pod的标签可以用来标识应用程序的不同组件，例如前端、后端、数据库等。Service将选择器与标签匹配，并将流量路由到匹配的Pod。

在Kubernetes中，Service主要有两种类型：ClusterIP和NodePort。

ClusterIP Service是默认类型的Service，它将Pod暴露到集群内部，为每个Service分配一个稳定的虚拟IP地址，可以在集群内部用于Pod之间的通信。

NodePort Service将Pod公开到集群外部，并为它们提供一个稳定的IP地址和端口，可以从集群外部访问这些Pod。NodePort Service使用了集群节点的IP地址和端口号，并将流量转发到匹配的Pod。此外，还有两种类型的Service：LoadBalancer和ExternalName。LoadBalancer Service用于将流量负载均衡到集群中的多个节点，而ExternalName Service则将Service映射到集群外部的DNS名称。

Service是Kubernetes中一个重要的概念，它为Pod提供了一个稳定的网络标识符，使得开发人员和操作人员可以更轻松地管理和公开容器化应用程序。通过使用Service，可以在不影响应用程序的情况下轻松地扩展、升级和部署容器化应用程序。

不同概念之间的关系

Kubernetes安全模型

Kubernetes 的安全模型由三个关键组件组成：认证、授权和 Admission Control。

以下是三个 Admission Control 的例子：

Pod Security Policy：Pod Security Policy 是一种 Admission Control，可限制在 Kubernetes 中运行的容器。管理员可以创建 Pod Security Policy 来指定容器的运行限制，如禁用特定的 Linux 功能、系统调用、特定卷或容器镜像等。Pod Security Policy 能帮助保护 Kubernetes 集群内的应用程序和数据安全，防止恶意容器攻击。

MutatingAdmissionWebhook：MutatingAdmissionWebhook 是一种 Admission Control，可在 Pod 创建时自动修改其配置。例如，管理员可使用 MutatingAdmissionWebhook 自动为 Pod 注入环境变量、Sidecar 容器或配置 Liveness 和 Readiness 探针。这有助于自动化配置管理，减少手动干预。

ValidatingAdmissionWebhook：ValidatingAdmissionWebhook 是一种 Admission Control，用于验证部署的 Pod 是否符合预定义策略。例如，管理员可使用它验证容器镜像是否安全、无漏洞或已获官方认证。ValidatingAdmissionWebhook 可帮助防止不安全的容器部署，保护集群内应用程序和数据的安全。

Kubernetes 的认证、授权和 Admission Control 按上述顺序执行。首先进行认证，然后进行授权，最后执行 Admission Control。这种顺序确保只有经过认证的用户或进程才能被授权访问资源，并在访问资源之前执行必要的安全和配置检查，以确保 Kubernetes 集群中的应用程序和数据的安全性。

管理员可以根据需求，使用不同的 Admission Control 满足安全和配置管理需求。Kubernetes 的认证、授权和 Admission Control

Kubernetes 认证

在 Kubernetes 中，支持多种不同的认证方式。以下是 Kubernetes 中常用的认证方式：

Kubernetes 中有多种不同的认证方式可供选择，管理员可以根据实际需求和安全要求选择最合适的认证方式。这些认证方式可以确保 Kubernetes 集群中的应用程序和数据的安全性，并保护其免受未经授权的访问和攻击。

Kubernetes 证书认证

Kubernetes 证书认证通常用于验证用户或进程的身份，以及授权其访问 Kubernetes 集群中的资源，其在api server通讯中起到至关重要的作用。以下是 Kubernetes 证书认证的主要使用场景：

总之，Kubernetes 证书认证具有广泛的应用场景，可以确保 Kubernetes 集群中各个组件和服务的安全通信，并保护敏感数据免受未经授权的访问和攻击。在实际应用中，管理员可以根据需求选择合适的认证方式，以保障集群的安全性和稳定性。

Cluster CA组件

在 Kubernetes 中，Cluster CA 是指用于签发和验证 Kubernetes 集群中 SSL/TLS 证书的根证书颁发机构（CA）。Cluster CA 负责为 Kubernetes 集群中的各个组件和服务签发证书，并验证其身份和合法性。所有 Kubernetes 组件和服务使用由 Cluster CA 签发的证书进行身份验证和授权，确保 Kubernetes 集群中的安全通信。

在 Kubernetes 中，管理员通常使用以下步骤来生成和管理 Cluster CA：

通过 Cluster CA 签发的证书具有以下优点：

Kubernetes支持多种认证方式，其中之一是基于证书的认证。证书认证使用 SSL/TLS 证书作为认证标识，用于验证用户或进程的身份，并授予其一组访问权限。

在 Kubernetes 中，证书认证通常使用以下三种 SSL/TLS 证书：

在 Kubernetes 中，证书认证的工作流程如下：

证书认证是 Kubernetes 中一种常用的认证方式，可以用于验证用户或进程的身份，并授权其访问 Kubernetes 集群中的资源。证书认证具有安全可靠、易于管理的优点，并广泛用于 Kubernetes 中的生产环境。

Kubernetes证书认证配置案例

Kubernetes使用客户端证书进行身份验证，提供一种安全的方法来管理集群访问。以下是有关Kubernetes证书认证的具体流程的概述，包括如何创建证书，如何对证书进行授权，以及如何为kubectl配置证书等。

1、创建证书：需要创建一个私钥和证书签名请求（CSR）。您可以使用OpenSSL工具来完成这些任务。例如，为用户创建私钥：

openssl genrsa -out my-user.key 2048

然后，使用私钥创建CSR：

openssl req -new -key my-user.key -out my-user.csr -subj "/CN=my-user/O=my-group"

其中，CN（Common Name）表示用户名，O（Organization）表示用户所属的组。

2、对证书进行授权：需要将证书签名请求发送给Kubernetes API服务器，让其签署并生成客户端证书。为此，请创建一个CertificateSigningRequest资源，其中包含刚刚创建的CSR文件的内容：

apiVersion: certificates.k8s.io/v1kind: CertificateSigningRequestmetadata:name: my-userspec:groups:- system:authenticatedrequest: signerName: kubernetes.io/kube-apiserver-clientusages:- client auth

使用kubectl创建资源：

kubectl apply -f my-user-csr.yaml

一旦资源被创建，集群管理员需要批准它：

kubectl certificate approve my-user

审批后，您可以从CertificateSigningRequest资源中获取签名后的证书：

kubectl get csr my-user -o jsnotallow='{.status.certificate}' | base64 --decode > my-user.crt

3、为kubectl配置证书：现在您有了私钥和客户端证书，需要将它们添加到kubectl的配置中。首先，将新用户添加到kubeconfig文件：

kubectl config set-credentials my-user --client-key=my-user.key --client-certificate=my-user.crt --embed-certs=true

接下来，创建一个新的上下文，该上下文将使用新的用户凭据：

kubectl config set-context my-user-context --cluster= --namespace= --user=my-user

最后，切换到新创建的上下文：

kubectl config use-context my-user-context

完成以上步骤后，就可以使用新创建的证书和上下文来访问Kubernetes集群了。请注意，根据集群的角色绑定和角色定义，新用户可能需要进一步授权才能执行某些操作。

证书认证配置相关漏洞

尽管Kubernetes具有强大的功能和广泛的应用，但它也存在一些与证书认证相关的安全漏洞。以下是一些常见的Kubernetes证书认证漏洞：

其他未授权漏洞

Kubernetes授权

Kubernetes授权机制决定了用户可以在集群中执行哪些操作。Kubernetes提供了几种内置的授权模块，例如Node、ABAC（Attribute-Based Access Control，基于属性的访问控制）和RBAC（Role-Based Access Control，基于角色的访问控制）。在生产环境中，RBAC是最常用的授权机制。

Kubernetes授权核心概念

以下是Kubernetes中与授权机制相关的一些核心概念：

ClusterRole

ClusterRole是一种集群范围的角色，定义了一组对Kubernetes API资源的操作权限。例如：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1kind: ClusterRolemetadata:name: pod-readerrules:- apiGroups: [""]resources: ["pods"]verbs: ["get", "watch", "list"]

上述示例中的ClusterRole具有在整个集群范围内读取Pod资源的权限。

ClusterRoleBinding

ClusterRoleBinding是将ClusterRole绑定到用户、组或ServiceAccount的资源，授予它们相应的操作权限。例如：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1kind: ClusterRoleBindingmetadata:name: pod-reader-bindingroleRef:apiGroup: rbac.authorization.k8s.iokind: ClusterRolename: pod-readersubjects:- kind: Username: my-userapiGroup: rbac.authorization.k8s.io

上述示例中的ClusterRoleBinding将pod-reader角色绑定到名为my-user的用户。

Role与ClusterRole类似，但它是命名空间范围的角色，只适用于特定命名空间。例如：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1kind: Rolemetadata:name: pod-readernamespace: my-namespacerules:- apiGroups: [""]resources: ["pods"]verbs: ["get", "watch", "list"]

上述示例中的Role具有在my-namespace命名空间内读取Pod资源的权限。

RoleBinding

RoleBinding将Role绑定到用户、组或ServiceAccount，与ClusterRoleBinding类似，但它只在特定命名空间中有效。例如：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1kind: RoleBindingmetadata:name: pod-reader-bindingnamespace: my-namespaceroleRef:apiGroup: rbac.authorization.k8s.iokind: Rolename: pod-readersubjects:- kind: Username: my-userapiGroup: rbac.authorization.k8s.io

上述示例中的RoleBinding将pod-reader角色绑定到名为my-user的用户，但仅在my-namespace命名空间中。

ServiceAccount

ServiceAccount是Kubernetes中的特殊用户账户，通常用于运行集群内的Pod、服务和控制器。ServiceAccount不需要外部身份提供者，因为它们直接由Kubernetes API管理。默认情况下，每个命名空间都有一个名为”default”的ServiceAccount。您可以创建额外的ServiceAccount以满足特定需求。例如：

apiVersion: v1kind: ServiceAccountmetadata:name: my-serviceaccountnamespace: my-namespace

上述示例创建了一个名为my-serviceaccount的ServiceAccount。

ServiceAccount Token

ServiceAccount Token是一种身份验证令牌，与特定ServiceAccount关联。Kubernetes API服务器会自动生成这些令牌，并将其存储在与ServiceAccount关联的Secret中。使用ServiceAccount Token，您可以以编程方式访问Kubernetes API，而无需为机器人或CI/CD系统创建独立的用户凭据。

要在RBAC中为用户进行授权，可以遵循以下步骤：

通过以上步骤，您可以根据需要为Kubernetes集群中的用户、组和ServiceAccount设置访问权限。请注意，始终遵循最小权限原则，只授予所需的最小权限以降低潜在的安全风险。

RBAC授权配置案例

假设您要授权一个名为dev-user的用户在dev-namespace命名空间中读取和修改Pod资源。以下是使用RBAC为此用户进行授权的具体案例：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1kind: Rolemetadata:name: dev-pod-managernamespace: dev-namespacerules:- apiGroups: [""]resources: ["pods"]verbs: ["get", "watch", "list", "create", "update", "delete"]将此YAML保存为**`dev-pod-manager-role.yaml`**，然后使用**`kubectl`**创建Role：

kubectl apply -f dev-pod-manager-role.yaml

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1kind: RoleBindingmetadata:name: dev-user-bindingnamespace: dev-namespaceroleRef:apiGroup: rbac.authorization.k8s.iokind: Rolename: dev-pod-managersubjects:- kind: Username: dev-userapiGroup: rbac.authorization.k8s.io将此YAML保存为**`dev-user-binding.yaml`**，然后使用**`kubectl`**创建RoleBinding：

kubectl apply -f dev-user-binding.yaml

kubectl config set-credentials dev-user --client-key=dev-user.key --client-certificate=dev-user.crt --embed-certs=true接下来，创建一个新的上下文，该上下文将使用新的用户凭据：

kubectl config set-context dev-user-context --cluster= --namespace=dev-namespace --user=dev-user最后，切换到新创建的上下文：

kubectl config use-context dev-user-context

现在，dev-user已经具备在dev-namespace命名空间中读取和修改Pod资源的权限。这个案例展示了如何使用RBAC和kubectl配置为用户授权。当然，您可以根据实际需求调整角色权限和绑定的实体。

RBAC配置不当导致漏洞案例

假设您要授权一个名为dev-user的用户在dev-namespace命名空间中读取Pod资源，但不小心将其授权为集群管理员，这可能导致潜在的安全风险和滥用权限。以下是这个错误授权的具体案例：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1kind: ClusterRolemetadata:name: accidental-cluster-adminrules:- apiGroups: ["*"]resources: ["*"]verbs: ["*"]将此YAML保存为**`accidental-cluster-admin-role.yaml`**，然后使用**`kubectl`**创建ClusterRole：

kubectl apply -f accidental-cluster-admin-role.yaml

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1kind: ClusterRoleBindingmetadata:name: dev-user-bindingroleRef:apiGroup: rbac.authorization.k8s.iokind: ClusterRolename: accidental-cluster-adminsubjects:- kind: Username: dev-userapiGroup: rbac.authorization.k8s.io将此YAML保存为**`dev-user-binding.yaml`**，然后使用**`kubectl`**创建ClusterRoleBinding：

kubectl apply -f dev-user-binding.yaml

kubectl config set-credentials dev-user --client-key=dev-user.key --client-certificate=dev-user.crt --embed-certs=true接下来，创建一个新的上下文，该上下文将使用新的用户凭据：``` ckubectl config set-context dev-user-context --cluster= --namespace=dev-namespace --user=dev-user```最后，切换到新创建的上下文：

kubectl config use-context dev-user-context

现在，由于错误地授予了集群管理员权限，dev-user不仅可以在dev-namespace中读取Pod资源，还可以在整个集群范围内执行任何操作。这可能导致潜在的安全风险，因为用户可以执行超出其预期权限范围的操作。为避免此类错误，始终仔细检查您的RBAC配置，确保遵循最小权限原则。

总结

本文从Kubernetes的相关概念出发，依次介绍了Kubernetes的安全模型、Kubernetes认证以及Kubernetes授权，并举例说明了证书认证和RBAC授权的配置流程和潜在的安全风险，为相关研究和实践提供参考。

作者：中兴沉烽实验室_lyc

参考文献

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Kerberos模型认证原理是什么?

Kerberos的认证原理： Kerberos采用可信赖第三方服务器进行密钥分发和身份确认，包括： ① 对用户认证② 对应用服务的提供者进行认证。此外，还可根据用户要求提供客户/服务器间的数据加密与完整性服务。 RFC1510协议文件对V5作了如下说明： Kerberos提供了在开放型网络中进行身份认证的方法，认证实体可以是用户或用户服务。这种认证不依赖宿主机的操作系统或主机的IP地址，不需要保证网络上所有主机的物理安全性，并且假定数据包在传输中可被随机窃取篡改。 2Kerberos的主要概念及一个工作模型 DES：对信息加密的算法。 V4只支持这一DES(数据加密标准)算法，V5采用独立的加密模块，可用其它加密算法替换。主体Principal:用户或服务，具体格式为〈登录名Primary name，实体名lnstance,域名realm〉许可证Ticket:向Kerberos server认证的凭证。格式〈Primary name,会话密钥Sessionkey，时间戳Timestamp〉会话密钥Session key:两个主体通信的临时密钥。 KDC(密钥发送中心)：包括认证服务器AS(Authenticatin server) 用于用户的初始认证服务。和TGS(Ticket Granting server)许可证认证服务器。 AS和TGS同驻于一台主机上。认证符Authenticator.用户创建的令牌。发送给服务器用于证明用户身份格式〈primary name ,timestamp> 一个Kerberos服务器也称为密钥分发中心KDC，维护着一个数据库.里面保存着所辖域内的用户及服务器的DES密钥。 DES密钥基于用户口令而生。用户首次注册时，系统根据用户口令生成密钥。应用服务器向KDC注册也生成密钥，这个密钥既存放在KDC上，也存于该服务器的主机上。现在假定一用户需要某应用服务器提供服务，工作模型如下：从此例可以看出，基于Needham-schroeder密钥协议的Kerberos系统保障了网络传输和通信的安全。但用户的负担十分繁重：用户的目的是得到应用服务器S的服务，却不得不积极地申请许可证!在KerberosV4版里，为防止“重放”攻击，nonce由时间戳实现，这就带来了时间同步问题。即使利用网络时间协议(Network Time Protocol)或国际标准时间(Coordinated universal time)能在一定程度上解决时间同步问题，用户需要承担的责任也令人忍受。 Kerberos V5 版允许nonce可以是一个数字序列，但要求它唯一。由于服务器无法保证不同用户的nonce不冲突，偶然的冲突可能将合法用户的服务器申请当作重放攻击而拒之门外。简言之，从没有网络安全知识的用户角度来看，Kerberos以加大用户参与安全保证的力度（而他们并不具备这方面的知识更没有耐心）来保障通信的安全，这种做法并不可行。