Kubernetes的可靠性 kubernetes安全

1、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（AdmissionControl）三步来保证API Server的安全

从上面这张图我们可以看出，无论是用户还是我们k8s内部的pod都需要走这个流程。先认证，再判断你是否有权限，最后放行。

2、认证 （Authentication）

默认提供了三种认证方式，如下：

• HTTP Token 认证：通过一个 Token 来识别合法用户 （服务器单向检测客户端）

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，服务端检验token是否正确

• HTTP Base 认证：通过 用户名+密码 的方式认证 （服务器单向检测客户端）

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 （服务器和客户端互相检测对象是否正常），这个是k8s默认采用的方式

2.1、HTTPS 证书认证流程

HTTPS 证书认证，其认证流程如下，其实就是双方都要从第三方获取证书，认证的时候再发给对方去检查。

2.2、需要认证的节点

上图包含两种类型

• Kubenetes 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）

换句话说就是这样

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

因为都在同一台服务器上面了就不再需要使用 https 双向认证了

• kubectl、kubelet、kube-proxy 访问 API Server 就都需要证书进行 HTTPS 双向认证
• 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,也不可能为几百个pod挨个颁发。所以Kubenetes使用了Service Account解决Pod 访问API Server的认证问题(后面会说)

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

2.3、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

查看方式如下：

默认是当前用户的根目录下，这个文件的内容很多，也就是上面提到的各个字段了，这里就不放完整内容了。

2.4、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

• 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

kubectl get secret

随便选择一个pod，进入容器后，查看认证的信息，认证信息默认放在 /run/secrets/kubernetes.io目录下

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

2.5、总结

其实就是上面那张图，如果是pod 则使用sa，如果是k8s组件则如下图所示。

3、鉴权 （Authorization）

对于第二章的认证过程，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）

方式	说明
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	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，已经被淘汰（注意一点，这种方式修改完成，不是实时生效的，得重启API Server）
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，现在默认的规则

下面就直接说 RBAC 授权模式了。

3.1、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（pod，名称空间等）和非资源(pod的状态等) 均拥有完整的覆盖
• 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
  可以在运行时进行调整，无需重启 API Serve

3.2、RBAC 的 API 资源对象说明

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

资源对象	说明
Role	角色，有且只有一个命名空间，会在定义的时候，让你提供这个唯一的命名空间
ClusterRole	集群角色，可以管理多个命名空间，会在定义的时候，让你提供命名空间
RoleBinding	单个命名空间的角色和资源绑定，如果使用ClusterRole 配合 RoleBinding，那也只是绑定一个命名空间的资源，而且会在定义RoleBinding的时候，让你提供唯一的命名空间
ClusterRoleBinding	多个命名口昂见的角色和资源绑定，如果使用ClusterRole 配合 ClusterRoleBinding，那可以绑定集群下所有的命名空间的资源，而且会在定义ClusterRoleBinding的时候，让你提供命名空间

说白了就是一个（role，RoleBinding）和多个（ClusterRole，ClusterRoleBinding）且可以混搭（以少的为准）的区别而已，举个列子，如下图

• 用户 Zhangsan 它被 read pod的角色Role使用 roleBinding 绑定，而这个角色的命名空间是default所以，Zhangsan 只有default命名空间读取pod的权限
• 用户 Lisi 它被 read pod的角色Role使用 roleBinding 绑定，而这个角色的命名空间是test所以，Lisi 只有 test 命名空间读取 pod 的权限
• 用户 Wangwu 它被 read pod的角色ClusterRole 使用 roleBinding 绑定，而这个角色的命名空间权限是集权，但是 因为使用 RoleBinding ，Wangwu 也只有 其中一个(使用的时候会让你指定的) 命名空间读取 pod 的权限
• 同理用户 Zhangliu 和 Wangwu 是一样的
• 但是用户 Wangyang 就可以获取 ClusterRole 的所有命名空间读取pod的权限，因为它配合了 ClusterBinding

简单的绑定关系如下，至于其它混搭的模式这里就不再画图表示 了。

需要注意的是 Kubenetes 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？ Kubenetes 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，如下

{
    "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，Kubenetes 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，而有了用户信息，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

也就是说无论哪一种之前的哪一种认证的方式，都会提供用户和组，只是方式不一样

3.3、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

示例如下，表示定义一个只可以在 default 名称空间下 get/watch/list pods 的Role的资源

kind: Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
  namespace: default  # 范围只是在 `default` 名称空间下
  name: pod-reader  # 名称叫  pod-reader 
rules:
- apiGroups: [""] # "" 表示作用的范围组是 core API group ，你也可以修改 
  resources: ["pods"]  # 对应的资源是 pods
  verbs: ["get", "watch", "list"]  # 权限是 get/watch/list  结合上面就是这个角色只有get/watch/list pod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 )

示例如下，定义了一个可以在任何名称空间下 get/watch/list secrets的角色

kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
  # "namespace" omitted since ClusterRoles are not namespaced
  name: secret-reader
rules:
  - apiGroups: [""]
  resources: ["secrets"]
  verbs: ["get", "watch", "list"]

3.4、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

如下将 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

kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
  name: read-pods  # 当前这个RoleBinding资源的名称
  namespace: default # 名称空间
subjects:
- kind: User
  name: jane
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader # 上面定义过
  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 只能访问 development 空间中的 secrets(因为 RoleBinding 定义在 development 命名空间)

# This role binding allows "dave" to read secrets in the "development" namespace.
kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
  name: read-secrets
  namespace: development # This only grants permissions within the "development" namespace.
subjects:
- kind: User
  name: dave
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: secret-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.i

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

# This cluster role binding allows anyone in the "manager" group to read secrets in any
namespace.
kind: ClusterRoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
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.i

3.5、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}

意思就是我们可以授权到 /api/v1/namespaces/{namespace}，这个url后面的/pods/{name}也都会被赋予授权，我们也开可以直接缩小到最后一层即 /api/v1/namespaces/{namespace}/pods/{name} 则这个权限只能操作指定名称的pod了。

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 资源 logs 访问权限的 Role 定义样例

kind: Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
  namespace: default
  name: pod-and-pod-logs-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods/log"]
  verbs: ["get", "list"]

3.6、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 “[e-mail]”；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

3.7、案例：创建一个用户只能管理 dev 空间

3.7.1、创建linux 用户 devuser

1、在k8s-master节点上增加一个用户，打码部分是命令写错了（我故意把他去掉的），不用在意

useradd devuser
passwd devuser

2、使用刚刚新建立的用户 devuser 登录 k8s-master节点 再访问k8s资源，发现是不能访问的。

3.7.2、k8s 创建用户证书凭证前置准备

1、在k8s-master节点上为 devuser 赋权，注意我们为这个用户赋权，当然得用已经有权限的账号去做这件事，所以还是用我们一开始搭建集群的账号root登录master节点

mkdir /usr/local/install-k8s/cert # 这个目录随意，但是一定要记住，因为后面用户生成的文件我们都准备放在这
cd /usr/local/install-k8s/cert
mkdir devuser # 再在当前这目录下创建一个 专属于 devuser的目录，它的生成的文件我们放在这里，这样后面再添加其它用户，也比较好区分。
cd devuser
vim devuser-csr.json

devuser-csr.json 文件内容如下，前面有说过这个文件的CN代表用户名，nams.O代表组

{    
    "CN":"devuser",
    "hosts":[

    ],
    "key":{
        "algo":"rsa",
        "size":2048
    },
    "names":[
        {
            "C":"CN",
            "ST":"BeiJing",
            "L":"BeiJing",
            "O":"k8s",
            "OU":"System"
        }
    ]
}

2、下载证书生成工具（三个文件），再改下名称

wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64
mv cfssl_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl

wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd64
mv cfssljson_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssljson
 
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl-certinfo_linux-amd64
mv cfssl-certinfo_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl-certin

为这三个文件赋予可以执行的权限，后面要用到这几个命令

3、创建授权文件，最好在 /etc/kubernetes/pki目录下执行，因为这个文件夹下保存的都是证书凭证（当然你也可以不在这个目录中，自己指定一个），后面有一个参数 /usr/local/install-k8s/cert/devuser/devuser-csr.json 这个文件就上面我们创建用户名和组的那个json文件。

# 这里就要用到上面下载的三个命令了
cfssl gencert -ca=ca.crt -ca-key=ca.key -profile=kubernetes /usr/local/install-k8s/cert/devuser/devuser-csr.json | cfssljson  -bare devuser

那么这个文件夹下就会出现如下三个文件

3.7.3、k8s 创建授权文件

1、设置变量名称，最好到 /usr/locl/install-k8s/cert/deuser目录下，因为后面会有一些缓存生成，而这写步骤都是为 devuser 这个用户做的，所以最好都放在同一个目录。

# 这个地址就是 k8s的master 的节点地址
export KUBE_APISERVER="https://192.168.66.10:6443

2、生成devuser的基础用户凭证 (信息还不全，后面我们会补充它的内容) ，最后生成我们指定认证文件的名称 devuser.kubeconfig

kubectl config set-cluster kubernetes \
--certificate-authority=/etc/kubernetes/pki/ca.pem \
--embed-certs=true \
--server=${KUBE_APISERVER} \
--kubeconfig=devuser.kubeconfig

你可以打开看下这个文件，其中后面的几个字段都是空的，那么接下来我们就要补全这些内容

3、设置(补全)客户端认证参数，执行命令后，那个文件的几个字段就会被填充

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

4、设置(补全)上下文参数，执行命令后，那个文件的又会填充一部分信息

创建名称空间 dev，因为后面需要把这个dev 空间赋权给 devuser了，所以先创建

kubectl config set-context kubernetes \
--cluster=kubernetes \
--user=devuser \
--namespace=dev \
--kubeconfig=devuser.kubeconfig

3.7.4、k8s 授权证书绑定用户角色权限

1、创建 roleBinding(当然你也可以用写配置文件的方式创建)，这样关系就算绑定好了。

创建一个名称叫 vuser-admin-binding 的 rolebinding ，角色选择 admin（这个admin相当于超级管理员，走到哪里都可以为所欲为） ,下发权限到 devuser

2、在用户 devuser 的家目录下创建 .kube目录，这个是k8s默认去找用户的凭证信息的目录

你也可以看看root 用户下是不是也有，那就是root用户的凭证

3 、 将最后的完整的devuser的配置文件拷贝到devuser家下的 .kube 目录，并授权这个文件的用户和组都是它自己。

修改文件名称，因为对比root 用户，它的 .kube目录下的这个文件就叫config，所以我们和它保持一致，前面叫 devuser.kubeconifg 是为了自己清楚。

4、设置 devuser 的默认上下文

kubectl config use-context kubernetes --kubeconfig=config

3.7.5、测试

1、创建容器，可以看到我们不用指定命名空间，默认这个用户只有一个 dev空间，而且你要获取其它名称空间的容器，你发现不能获取，比如下面示例的default空间

不信，我们可以在 root 用户的权限看，刚刚创建的容器确实是在dev空间下的。

4、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,DefaultStorageClass,DefaultTolerationSeconds,Mutat
ingAdmissionWebhook,ValidatingAdmissionWebhook,ResourceQuota

这里列举几个插件的功能：

插件	功能说明
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 时，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。