k8s网络安全策略 k8s 网络方案

文章目录

• k8s网络通信

• 什么是k8s网络通信
• k8s网络通信分类

• flannel插件

• 组件介绍
• 通信流程介绍
• Vxlan模式

• vxlan（默认）模式
• Directrouting模式

• host-gw模式

• calico插件

• calico简介
• calico安装

• ingress-nginx部署

• ingress介绍
• ingress-nginx安装

• 单host
• 两个host
• 配置证书加密
• 配置用户认证
• 地址重定向（简单）
• 地址重定向（复杂）

• 网络策略

• 限制访问指定服务
• 允许指定pod访问服务
• 禁止 namespace 中所有 Pod 之间的相互访问
• 禁止其他 namespace 访问服务
• 只允许指定namespace访问服务
• 允许外网访问服务

k8s网络通信

什么是k8s网络通信

k8s通过CNI接口接入其他插件来实现网络通讯。目前比较流行的插件有flannel，calico等。
CNI插件存放位置： cat /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist
插件使用的解决方案如下：

• 虚拟网桥，虚拟网卡，多个容器共用一个虚拟网卡进行通信。
• 多路复用：MacVLAN，多个容器共用一个物理网卡进行通信。
• 硬件交换：SR-LOV，一个物理网卡可以虚拟出多个接口，这个性能最好。

k8s网络通信分类

• 容器间通信： 同一个pod内的多个容器间的通信，通过lo即可实现。
• pod之间的通信： 同一节点的pod之间通过cni网桥转发数据包，不同节点的pod之间的通信需要网络插件支持。
• pod和service通信: 通过iptables或ipvs实现通信，ipvs取代不了iptables，因为ipvs只能做负载均衡，而做不了nat转换。
• pod和外网通信： iptables的MASQUERADE
• Service与集群外部客户端的通信： ingress、nodeport、loadbalancer

flannel插件

组件介绍

• VXLAN： 即Virtual Extensible LAN（虚拟可扩展局域网），是Linux本身支持的一种网络虚拟化技术。VXLAN可以完全在内核态实现封装和解封装工作，从而通过隧道机制，构建出覆盖网络（Overlay Network）。
• VTEP： VXLAN Tunnel End Point（虚拟隧道端点），在Flannel中 VNI的默认值是1，这也是为什么宿主机的VTEP设备都叫flannel.1的原因。
• Cni0: 网桥设备，每创建一个pod都会创建一对 veth pair。其中一端是pod中的eth0，另一端是Cni0网桥中的端口（网卡）。
• Flannel.1: TUN设备(虚拟网卡)，用来进行 vxlan 报文的处理（封包和解包）。不同node之间的pod数据流量都从overlay设备以隧道的形式发送到对端。
• Flanneld： flannel在每个主机中运行flanneld作为agent，它会为所在主机从集群的网络地址空间中，获取一个小的网段subnet，本主机内所有容器的IP地址都将从中分配。同时Flanneld监听K8s集群数据库，为flannel.1设备提供封装数据时必要的mac、ip等网络数据信息。

通信流程介绍

• 当容器发送IP包，通过veth pair发往cni网桥，再路由到本机的flannel.1设备进行处理。
• VTEP设备之间通过二层数据帧进行通信，源VTEP设备收到原始IP包后，在上面加上一个目的MAC地址，封装成一个内部数据帧，发送给目的VTEP设备。
• 内部数据桢，并不能在宿主机的二层网络传输，Linux内核还需要把它进一步封装成为宿主机的一个普通的数据帧，承载着内部数据帧通过宿主机的eth0进行传输。
• Linux会在内部数据帧前面，加上一个VXLAN头，VXLAN头里有一个重要的标志叫VNI，它是VTEP识别某个数据桢是不是应该归自己处理的重要标识。
• flannel.1设备只知道另一端flannel.1设备的MAC地址，却不知道对应的宿主机地址是什么。在linux内核里面，网络设备进行转发的依据，来自FDB的转发数据库，这个flannel.1网桥对应的FDB信息，是由flanneld进程维护的。
• linux内核在IP包前面再加上二层数据帧头，把目标节点的MAC地址填进去，MAC地址从宿主机的ARP表获取。
• 此时flannel.1设备就可以把这个数据帧从eth0发出去，再经过宿主机网络来到目标节点的eth0设备。目标主机内核网络栈会发现这个数据帧有VXLAN Header，并且VNI为1，Linux内核会对它进行拆包，拿到内部数据帧，根据VNI的值，交给本机flannel.1设备处理，flannel.1拆包，根据路由表发往cni网桥，最后到达目标容器。

Vxlan模式

Vxlan模式自带两个参数
1.vxlan参数：默认参数，跨网段时使用此参数。
2.Directrouting参数：同一个网段时使用此参数，直接路由，等同于下面介绍的host-gw模式。

vxlan（默认）模式

pod内通过cni0通信

Directrouting模式

1.修改模式为Directrouting模式
kubectl -n kube-system edit cm kube-flannel-cfg
{
  "Network": "10.244.0.0/16",
  "Backend": {
    "Type": "vxlan",
    "Directrouting": true
  }
}
2.重启生效
kubectl get pod -n kube-system |grep flannel | awk '{system("kubectl delete pod "$1" -n kube-system")}'
3.查看route
ip route 或 route -n

既保留了vxlan，又保留了本机路由。

host-gw模式

应用场景：主机网关，性能好，但只能在二层网络中，不支持跨网络。

1.修改模式为host-gw
kubectl -n kube-system edit cm kube-flannel-cfg
2.重启生效
kubectl get pod -n kube-system |grep flannel | awk '{system("kubectl delete pod "$1" -n kube-system")}'
3.查看route
ip route 或 route -n

在主机上直接做路由而不用封装，直接走主机ip地址。跳过flannel.1直接从cni0到eth0（这里是ens33）。

calico插件

calico官网

calico简介

• flannel实现的是网络通信，calico的特性是在pod之间的隔离。
• 通过BGP路由，但大规模端点的拓扑计算和收敛往往需要一定的时间和计算资源。
• 纯三层的转发，中间没有任何的NAT和overlay，转发效率最好。
• Calico 仅依赖三层路由可达。Calico 较少的依赖性使它能适配所有VM、Container、白盒或者混合环境场景。

calico安装

注意：如果之前安装过flannel，先清理环境。
kubectl delete -f kube-flannel.yml 
cd /etc/cni/net.d
mv 10-flannel.conflist /mnt/        #将文件先移到别处，每一个节点都需要做。
ps ax | grep gannel
 
1. wget https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml

2.拉取calico.yaml清单中所需的镜像（文件不同，镜像也不同，下面就是举个例子）
docker pull calico/kube-controllers:v3.16.1
docker pull calico/cni:v3.16.1
docker pull calico/pod2daemon-flexvol:v3.16.1
docker pull calico/node:v3.16.1

3.可以将刚才拉取的镜像放到harbor中

 - vim calico.yml
 - name: CALICO_IPV4POOL_IPIP
  value: "off"
 - name: CALICO_IPV4POOL_CIDR
  value: "10.244.0.0/16"

 - kubectl apply -f calico.yaml

在server1上下载软件

修改calico.yml把always改为off

部署成功

测试位于不同节点的容器如何通信

发现可以ping通

在server2上抓包结果如下

在server3上访问server2是通过物理网卡访问的，而不是网桥cni0。

原理如下：

ingress-nginx部署

ingress-nginx官网

ingress介绍

• Kubernetes里的Ingress服务是种全局的、为了代理不同后端 Service 而设置的负载均衡服务。
• Ingress由两部分组成：Ingress controller和Ingress服务
• Ingress Controller 会根据你定义的 Ingress 对象，提供对应的代理能力。业界常用的各种反向代理项目，比如 Nginx、HAProxy、Envoy、Traefik 等，都已经为Kubernetes专门维护了对应的 Ingress Controller。
  

ingress-nginx安装

单host

为了方便起见，我将harbor配置成使用http访问。
1.mkdir ingress
cd ingress/

2.下载deploy.yaml
wget https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/master/deploy/static/provider/baremetal/deploy.yaml

3.拉取镜像
docker pull dyrnq/ingress-nginx-controller:v1.0.4
docker pull dyrnq/kube-webhook-certgen:v1.1.1

4.上传镜像
仓库里新建项目ingress-nginx
docker tag dyrnq/ingress-nginx-controller:v1.0.4 www.lyueyue.org/ingress-nginx/ingress-nginx-controller:v1.0.4
docker tag dyrnq/kube-webhook-certgen:v1.1.1 www.lyueyue.org/ingress-nginx/kube-webhook-certgen:v1.1.1
docker push www.lyueyue.org/ingress-nginx/ingress-nginx-controller:v1.0.4
docker push www.lyueyue.org/ingress-nginx/kube-webhook-certgen:v1.1.1

5.修改deploy.yaml文件
这里主要修改镜像的地址

6.运行文件并查看部署情况
kubectl apply -f deploy.yaml
kubectl -n ingress-nginx get pod      #查看是否运行成功,READY状态必须为1
kubectl get ns                        #安装成功后出现新的namespace:ingress-nginx
kubectl get all -n ingress-nginx      #查看服务是否安装成功
kubectl get all -o wide -n ingress-ngin

7.创建一个svc
vim demo.yml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: myservice
spec:
  selector:
    app: myapp
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
  type: ClusterIP 
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: demo2
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
    spec:
      containers:
      - name: myapp
        image: myapp:v2

8.创建ingress服务
vim ingress.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-demo
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
  - host: www1.lyueyue.org
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: myservice
            port:
              number: 80

9.kubectl apply -f ingress.yaml

10.查看nodeport所暴露的端口（查看80所对应的那个端口）

11.设置域名解析

12.测试 由于我的虚拟机只能开三个，因此这次的测试机仍然是server1，最好换一个虚拟机来测试。

补充:(输入:set paste 进入paste模式以后，可以在插入模式下粘贴内容，不会有任何变形)

需要修改deploy.yaml文件中的三处镜像

部署成功！

孩子要哭了😭终于部署好了，在这个地方卡了好几天。思考了一下部署错误的原因：所拉取的harbor项目没有公开，所部署的ingress-nginx版本和k8s不配合等等，出现的错误非常多，换了好几个deploy.yaml版本终于成功了。

有两个后端

现在创建一个ingress服务

查看nodeport所暴露的端口

设置域名解析

开始测试 发现负载均衡

两个host

接上
12.创建一个nginx-svc，便于之后区分
vim nginx-svc.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-svc
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: deployment
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: myapp:v1
      
13.重新编辑ingress.yaml添加www2主机。
vim ingress.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-demo
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
  - host: www1.lyueyue.org
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: myservice
            port:
              number: 80
  - host: www2.lyueyue.org
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: nginx-svc
            port:
              number: 80
              
14.kubectl apply -f ingress.yaml

15.修改域名解析文件

16.测试

再创建一个nginx-svc.yaml

测试

配置证书加密

1.openssl req -x509 -sha256 -nodes -days 365 -newkey rsa:2048 -keyout tls.key -out tls.crt -subj "/CN=nginxsvc/O=nginxsvc"               #生成证书

2.kubectl create secret tls tls-secret --key tls.key --cert tls.crt                            #生成密钥文件tls-secret

3.kubectl get secrets                   #查看生成的密钥文件

4.kubectl describe  secrets tls-secret  #查看密钥详细信息

5.启用证书
vim ingress.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-demo
spec:
  ingressClassName: nginx
  tls:
  - hosts:
    - www1.lyueyue.org
    secretName: tls-secret
  rules:
  - host: www1.lyueyue.org
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: myservice
            port:
              number: 80
              
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-demo2
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
  - host: www2.lyueyue.org
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: nginx-svc
            port:
              number: 80
              
6.kubectl apply -f ingress.yaml

7.测试
kubectl  get ingress
curl www1.lyueyue.org:32097 -I
curl www2.lyueyue.org:32097 -I

启用证书

ingress-demo出现端口443

测试

配置用户认证

在配置证书加密的基础上配置用户认证
1.安装工具，里面有htpasswd
yum install -y httpd-tools

2.htpasswd -c auth lyueyue            #建立认证用户
htpasswd auth admin                   #如果再创建用户不加-c

3.cat auth                            #查看认证的用户

4.kubectl create secret generic basic-auth --from-file=auth                             #存储用户认证文件

5.kubectl get secrets                 #查看是否存储成功

6. kubectl get secret basic-auth -o yaml   #通过yaml文件查看用户认证信息

7.vim ingress.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-demo
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/auth-type: basic
    nginx.ingress.kubernetes.io/auth-secret: basic-auth
    nginx.ingress.kubernetes.io/auth-realm: 'Authentication Required - lyueyue'
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
  - host: www1.lyueyue.org
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: myservice
            port:
              number: 80
              
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-demo2
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
  - host: www2.lyueyue.org
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: nginx-svc
            port:
              number: 80
8.kubectl apply -f ingress.yaml

9.测试

测试

访问成功

地址重定向（简单）

vim ingress.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-demo
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/auth-type: basic
    nginx.ingress.kubernetes.io/auth-secret: basic-auth
    nginx.ingress.kubernetes.io/auth-realm: 'Authentication Required - lyueyue'
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
  - host: www1.lyueyue.org
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: myservice
            port:
              number: 80
              
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-demo2
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /hostname.html
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
  - host: www2.lyueyue.org
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: nginx-svc
            port:
              number: 80

地址重定向（复杂）

vim ingress.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-demo
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/auth-type: basic
    nginx.ingress.kubernetes.io/auth-secret: basic-auth
    nginx.ingress.kubernetes.io/auth-realm: 'Authentication Required - lyueyue'
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
  - host: www1.lyueyue.org
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: myservice
            port:
              number: 80
              
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: ingress-demo2
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /$2
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
  - host: www2.lyueyue.org
    http:
      paths:
      - path: /lyueyue(/|$)(.*)       #访问必须添加lyueyue路径，然后重新定向到别的路径)
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: nginx-svc
            port:
              number: 80

网络策略

网络策略官方文档

限制访问指定服务

vim nginx-policy.yml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-nginx
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: nginx

允许指定pod访问服务

vim access-demo.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: access-nginx
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: nginx
  ingress:
  - from:
     - podSelector:
       matchLabels:
         app: demo

禁止 namespace 中所有 Pod 之间的相互访问

vim deny-pod.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-deny
  namespace: demo
spec:
  podSelector: {}

禁止其他 namespace 访问服务

vim deny-ns.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-namespace
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
  ingress:
  - from:
    - podSelector: {}

只允许指定namespace访问服务

vim access-ns.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: access-namespace
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      run: nginx         
  ingress:
  - from:
    - namespaceSelector:
        matchLabels:
          role: prod

允许外网访问服务

vim access-ex.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: web-allow-external
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: nginx
  ingress:
  - ports:
    - port: 80
    from: []