Kubernetes之集群安全机制

我们一起学习 Kubernetes 的集群安全机制吧！

1. 要点汇总

汇总这一节主要需要明白和理解的知识点！

2. 机制说明

Kubernetes 作为一个分布式集群的管理工具，保证集群的安全性是其一个重要的任务。API Server 是集群内部各个组件通信的中介，也是外部控制的入口。所以 Kubernetes 的安全机制基本就是围绕保护 API Server 来设计的。Kubernetes 使用了认证（Authentication）、鉴权（Authorization）、准入控制（Admission Control）三步来保证 API Server 的安全。

3. 认证过程

主要介绍服务之间认证的具体过程和重点知识！

• HTTP Token 认证：通过一个 Token 来识别合法用户

HTTP Token 的认证是用一个很长的特殊编码方式的并且难以被模仿的字符串 - Token 来表达客户的一种方式。Token 是一个很长的很复杂的字符串，每一个 Token 对应一个用户名存储在 API Server 能访问的文件中。当客户端发起 API 调用请求时，需要在 HTTP Header 里放入 Token。

• HTTP Base 认证：通过 用户名+密码 的方式认证

用户名+:+密码用 BASE64 算法进行编码后的字符串放在 HTTP Request 中的 Heather Authorization 域里发送给服务端，服务端收到后进行编码，获取用户名及密码。

• 最严格的 HTTPS 证书认证：基于 CA 根证书签名的客户端身份认证方式

• [1] HTTPS 证书认证

• [2] 需要认证的节点
• 两种类型
  • Kubernetes 组件对 API Server 的访问：kubectl、Controller Manager、Scheduler、kubelet、kube-proxy`
  • Kubernetes 管理的 Pod 对容器的访问：Pod（Dashborad 也是以 Pod 形式运行
• 安全性说明
  • Controller Manager、Scheduler 与 API Server 在同一台机器，所以直接使用 API Server 的非安全端口访问，--insecure-bind-address=127.0.0.1
  • kubectl、kubelet、kube-proxy 访问 API Server 就都需要证书进行 HTTPS 双向认证
• 证书颁发
  • 手动签发：通过 k8s 集群的跟 ca 进行签发 HTTPS 证书
  • 自动签发：kubelet 首次访问 API Server 时，使用 token 做认证，通过后 Controller Manager 会为 kubelet 生成一个证书，以后的访问都是用证书做认证了

• [3] kubeconfig

kubeconfig 文件包含集群参数（CA 证书、API Server 地址），客户端参数（上面生成的证书和私钥），集群 context 信息（集群名称、用户名）。Kubenetes 组件通过启动时指定不同的 kubeconfig 文件可以切换到不同的集群。
我们可以简单理解为，kubeconfig 文件就是一个认证函，其中包含了访问服务的信息以及用于认证的信息。默认会在家目录下创建一个隐藏的 .kube/config 目录，对应 kubeconfig 文件就在这里保存着。

apiVersion: v1
kind: Config # 类型
clusters:
  - cluster:
      certificate-authority-data: LSxxQo= # 集群认证信息
      server: https://192.168.66.10:6443 # 服务器地址信息
    name: kubernetes
contexts:
  - context:
      cluster: kubernetes
      user: kubernetes-admin
    name: kubernetes-[email protected]
current-context: kubernetes-[email protected] # 当前的集群
preferences: {}
users:
  - name: kubernetes-admin # 当前的用户名
    user:
      client-certificate-data: LSxxQo= # 客户端证书
      client-key-data: LSxxQo= # 客户端私钥

• [4] ServiceAccount

Pod 中的容器访问 API Server。因为 Pod 的创建、销毁是动态的，所以要为它手动生成证书就不可行了。Kubenetes 使用了 Service Account 解决 Pod 访问 API Server 的认证问题。

• [5] Secret 与 SA 的关系

Kubernetes 设计了一种资源对象叫做 Secret，分为两类，一种是用于 ServiceAccount 的 service-account-token，另一种是用于保存用户自定义保密信息的 Opaque。ServiceAccount 中用到包含三个部分：Token、ca.crt、namespace。默认情况下，每个 namespace 都会有一个 ServiceAccount，如果 Pod 在创建时没有指定 ServiceAccount，就会使用 Pod 所属的 namespace 的 ServiceAccount。

• token 是使用 API Server 私钥签名的 JWT。用于访问 API Server 时，Server 端认证。
• ca.crt 根证书。用于 Client 端验证 API Server 发送的证书。
• namespace 标识这个 service-account-token 的作用域名空间。

# /run/secrests/kubenetes.io/serviceaccount
$ kubectl get secret --all-namespaces
$ kubectl describe secret default-token-5gm9r --namespace=kube-system

• 总结

4. RBAC

上面认证过程，只是确认通信的双方都确认了对方是可信的，可以相互通信。而鉴权是确定请求方有哪些资源的权限。API Server 目前支持以下几种授权策略。通过 API Server 的启动参数 --authorization-mode 设置。

• AlwaysDeny
  • 表示拒绝所有的请求，一般用于测试。
• AlwaysAllow
  • 允许接收所有请求，如果集群不需要授权流程，则可以采用该策略。
• ABAC（Attribute-Based Access Control）
  • 基于属性的访问控制，表示使用用户配置的授权规则对用户请求进行匹配和控制(已废弃)。
• Webbook
  • 通过调用外部 REST 服务对用户进行授权。
• RBAC（Role-Based Access Control）
  • 基于角色的访问控制，现行默认规则(通常策略)。

4.1 RBAC 授权模式

RBAC（Role-Based Access Control）基于角色的访问控制，在 Kubernetes 1.5 中引入，现行版本成为默认标准。相对其它访问控制方式，拥有以下优势：

• 对集群中的资源和非资源均拥有完整的覆盖
• 可以在运行时进行调整，无需重启 API Server 服务
• 整个 RBAC 完全由几个 API 对象完成，同其它 API 对象一样，可以用 kubectl 或 API 进行操作

RBAC 引入了 4 个新的顶级资源对象：Role、ClusterRole、RoleBinding、ClusterRoleBinding，4 种对象类型均可以通过 kubectl 与 API 操作。

需要注意的是 Kubernetes 并不会提供用户管理，那么 User、Group、ServiceAccount 指定的用户又是从哪里来的呢？Kubernetes 组件（kubectl、kube-proxy）或是其他自定义的用户在向 CA 申请证书时，需要提供一个证书请求文件。
而在这个文件中就定义了对应的用户和组，CN 定义用户，name.O 定义了组。当 K8S 读取证书信息的时候，会自动把这个两个信息提取出来，当做用户名和组。

{
  "CN": "admin",
  "hosts": [],
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "ST": "HangZhou",
      "L": "XS",
      "O": "system:masters",
      "OU": "System"
    }
  ]
}

API Server 会把客户端证书的 CN 字段作为 User，把 names.O 字段作为 Group。kubelet 使用 TLS Bootstaping 认证时，API Server 可以使用 Bootstrap Tokens 或者 Token authentication file 验证 =token，无论哪一种，Kubernetes 都会为 token 绑定一个默认的 User 和 Group Pod 使用 ServiceAccount 认证时，service-account-token 中的 JWT 会保存 User 信息有了用户信息，再创建一对角色/角色绑定(集群角色/集群角色绑定)资源对象，就可以完成权限绑定了。

4.2 Role and ClusterRole

在 RBAC API 中，Role 表示一组规则权限，权限只会增加(累加权限)，不存在一个资源一开始就有很多权限而通过 RBAC 对其进行减少的操作；Role 可以定义在一个 namespace 中，如果想要跨 namespace 则可以创建 ClusterRole，在创建 ClusterRole 的过程中不需要我们指定名称空间。

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
kind: Role
metadata:
  name: pod-reader # 指定用户名称
  namespace: default # 指定组名称
rules:
  # 指定pod-reader使用apiGroups组和版本
  - apiGroups: [""] # 省略为空的话则是coreAPI的核心组
    resources: ["pods"] # 制定资源对象
    verbs: ["get", "watch", "list"] # 设置对应的权限

ClusterRole 具有与 Role 相同的权限角色控制能力，不同的是 ClusterRole 是集群级别的，ClusterRole 可以用于:

• 集群级别的资源控制(例如 node 访问权限)
• 非资源型 endpoints(例如 /healthz 访问)
• 所有命名空间资源控制(例如 pods)

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: secret-reader
rules:
  - apiGroups: [""]
    resources: ["secrets"]
    verbs: ["get", "watch", "list"]

4.3 RoleBinding and ClusterRoleBinding

RoloBinding 可以将角色中定义的权限授予用户或用户组，RoleBinding 包含一组权限列表(subjects)，权限列表中包含有不同形式的待授予权限资源类型(users, groups, or service accounts)；RoloBinding 同样包含对被 Bind 的 Role 引用；RoleBinding 适用于某个命名空间内授权，而 ClusterRoleBinding 适用于集群范围内的授权。将 default 命名空间的 pod-reader Role 授予 jane 用户，此后 jane 用户在 default 命名空间中将具有 pod-reader 的权限。

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
  namespace: default
subjects:
  - kind: User
    name: jane
    apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

RoleBinding 同样可以引用 ClusterRole 来对当前 namespace 内用户、用户组或 ServiceAccount 进行授权，这种操作允许集群管理员在整个集群内定义一些通用的 ClusterRole，然后在不同的 namespace 中使用 RoleBinding 来引用。
例如，以下 RoleBinding 引用了一个 ClusterRole，这个 ClusterRole 具有整个集群内对 secrets 的访问权限；但是其授权用户 dave 只 2 能访问 development 空间中的 secrets(因为 RoleBinding 定义在 development 命名空间)。

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-secrets
  namespace: development
subjects:
  - kind: User
    name: dave
    apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: secret-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

使用 ClusterRoleBinding 可以对整个集群中的所有命名空间资源权限进行授权；以下 ClusterRoleBinding 样例展示了授权 manager 组内所有用户在全部命名空间中对 secrets 进行访问。

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: read-secrets-global
subjects:
  - kind: Group
    name: manager
    apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: secret-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

4.4 Resources

Kubernetes 集群内一些资源一般以其名称字符串来表示，这些字符串一般会在 API 的 URL 地址中出现；同时某些资源也会包含子资源，例如 logs 资源就属于 pods 的子资源，API 中 URL 样例如下。

GET /api/v1/namespaces/{namespace}/pods/{name}/log

如果要在 RBAC 授权模型中控制这些子资源的访问权限，可以通过 / 分隔符来实现，以下是一个定义 pods 资资源 logs 访问权限的 Role 定义样例。

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta
kind: Role
metadata:
  name: pod-and-pod-logs-reader
  namespace: default
rules:
  - apiGroups: [""]
    resources: ["pods", pods/log"]
    verbs: ["get", "list"]

4.5 to Subjects

RoleBinding 和 ClusterRoleBinding 可以将 Role 绑定到 Subjects；Subjects 可以是 groups、users 或者 service accounts。
Subjects 中 Users 使用字符串表示，它可以是一个普通的名字字符串，如 “alice”；也可以是 email 格式的邮箱地址，如 “[email protected]”；甚至是一组字符串形式的数字 ID。但是 Users 的前缀 system: 是系统保留的，集群管理员应该确保普通用户不会使用这个前缀格式。Groups 书写格式与 Users 相同，都为一个字符串，并且没有特定的格式要求；同样 system: 前缀为系统保留。

4.6 实践演示

实践：创建一个用户只能管理 dev 空间

• [1] 创建 devuser 用户
  • k8s 默认不会帮助我们创建用户(手动执行)
  • 下述所有操作均在 devuser 用户下面

$ sudo useradd devuser
$ sudo passwd devuser

• [2] 创建 devuser 的证书请求文件
  • 用户名称: devuser；组: k8s

# devuser-csr.json

{
  "CN": "devuser", # 用户名称
  "hosts": [], # 表明可以使用的主机；默认为空表示所有主机
  "key": {
    "algo": "rsa", # 加密类型
    "size": 2048 # 加密长度
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "ST": "BeiJing",
      "L": "BeiJing",
      "O": "k8s", # 组
      "OU": "System"
    }
  ]
}

• [3] 生成 devuser 的证书请求相关文件

# 下载证书生成工具
$ wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd
$ mv cfssl_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl
$ wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd
$ mv cfssljson_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssljson
$ wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl-certinfo_linux-amd
$ mv cfssl-certinfo_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl-certinfo

# 创建请求证书
# 会自动生成devuser.csr(证书请求)和devuser-key.pem(证书私钥)文件
$ cd /etc/kubernetes/pki
$ cfssl gencert -ca=ca.crt -ca-key=ca.key -profile=kubernetes 
    /root/devuser-csr.json | cfssljson -bare devuser

• [4] 设置集群参数生成 kubeconfig 文件

# 设置集群参数生成kubeconfig文件(devuser.kubeconfig)
# set-cluster: 设置集群名称
# certificate-authority: 指定请求
$ cd /home/devuser
$ export KUBE_APISERVER="https://192.168.66.10:6443"
$ kubectl config set-cluster kubernetes 
    --certificate-authority=/etc/kubernetes/pki/ca.crt 
    --embed-certs=true 
    --server=${KUBE_APISERVER} 
    --kubeconfig=devuser.kubeconfig

• [5] 设置客户端认证/上下文参数

# 设置客户端认证
$ kubectl config set-credentials devuser 
    --client-certificate=/etc/kubernetes/pki/devuser.pem 
    --client-key=/etc/kubernetes/pki/devuser-key.pem 
    --embed-certs=true 
    --kubeconfig=devuser.kubeconfig

# 设置上下文参数
$ kubectl config set-context kubernetes 
    --cluster=kubernetes  # 集群名称
    --user=devuser  # 用户名
    --namespace=dev  # 名称空间
    --kubeconfig=devuser.kubeconfig

# 设置默认上下文
$ kubectl create rolebinding devuser-admin-binding 
    --clusterrole=admin --user=devuser --namespace=dev
$ kubectl config use-context kubernetes --kubeconfig=devuser.kubeconfig
$ cp -f ./devuser.kubeconfig /root/.kube/config

5. 准入控制

准入控制是 API Server 的插件集合，通过添加不同的插件，实现额外的准入控制规则。甚至于 API Server 的一些主要的功能都需要通过 Admission Controllers 实现，比如 ServiceAccount。官方文档上有一份针对不同版本的准入控制器推荐列表，其中最新的 1.14 的推荐列表是：

• NamespaceLifecycle, LimitRanger,ServiceAccount
• DefaultTolerationSeconds, Mutat ingAdmissionWebhook
• ValidatingAdmissionWebhook, ResourceQuota, DefaultStorageClass

列举几个插件的功能：

• NamespaceLifecycle
  • 防止在不存在的 namespace 上创建对象，防止删除系统预置 namespace 删除。
• namespace
  • 连带删除它的所有资源对象。
• LimitRanger
  • 确保请求的资源不会超过资源所在 Namespace 的 LimitRange 的限制。
• ServiceAccount
  • 实现了自动化添加 ServiceAccount。
• ResourceQuota
  • 确保请求的资源不会超过资源的 ResourceQuota 限制。