kubernetes安全机制

//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。
比如 kubectl 如果想向 API Server 请求资源，需要过三关，第一关是认证（Authentication），第二关是鉴权（Authorization）， 第三关是准入控制（Admission Control），只有通过这三关才可能会被 K8S 创建资源。

-------------------------- 认证（Authentication） ---------------------------

●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 Token 字符串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， 服务端收到后进行解码，获取用户名及密码。

●HTTPS 证书认证（最严格）：基于 CA 根证书签名的客户端身份认证方式。

#注：Token 认证和 Base 认证方式只能进行服务端对客户端的单向认证，而客户端不知道服务端是否合法；而 HTTPS 证书认证方式 则可以实现双向认证。

（1）需要被认证的访问类型：
●Kubernetes 组件对 API Server 的访问：kubectl、kubelet、kube-proxy
●Kubernetes 管理的 Pod 对 API Server 的访问：Pod（coredns,dashborad 也是以 Pod 形式运行）

（2）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（比如 8080 端口）
●kubectl、kubelet、kube-proxy 访问 API Server 就都需要证书进行 HTTPS 双向认证，端口号使用 6443

（3）证书颁发：
●手动签发：使用二进制部署时，需要先手动跟 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

（4）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 上下文参数 （集群名称、用户名）。Kubenetes 组件（如 kubelet、kube-proxy）通过启动时指定不同的 kubeconfig 文件可以切换到不同的集群 ，连接到 apiserver。
也就是说 kubeconfig 文件既是一个集群的描述，也是集群认证信息的填充。包含了集群的访问方式和认证信息。kubectl 文件默认位于 ~/.kube/config

（5）Service Account
Service Account是为了方便 Pod 中的容器访问API Server。因为 Pod 的创建、销毁是动态的，所以要为每一个 Pod 手动生成证书就不可行了。 Kubenetes 使用了 Service Account 来循环认证，从而解决了 Pod 访问API Server的认证问题。

（6）Secret 与 SA 的关系
//Kubernetes 设计了一种资源对象叫做 Secret，分为两类：
●用于保存 ServiceAccount 的 service-account-token
●用于保存用户自定义保密信息的 Opaque

//Service Account 中包含三个部分：
●Token：是使用 API Server 私钥签名的 Token 字符串序列号，用于访问 API Server 时，Server 端认证
●ca.crt：ca 根证书，用于 Client 端验证 API Server 发送来的证书
●namespace：标识这个 service-account-token 的作用域名空间
//默认情况下，每个 namespace 都会有一个 Service Account，如果 Pod 在创建时没有指定 Service Account，就会使用 Pod 所属的 namespace 的 Service Account。每个 Pod 在创建后都会自动设置 spec.serviceAccount 为 default（除非指定了其他 Service Accout）。

kubectl get sa
NAME      SECRETS   AGE
default   1         22d

//每个 Pod 启动后都会挂载该 ServiceAccount 的 Token、ca.crt、namespace 到 /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/

kubectl get pod -n kube-system

NAME                             READY   STATUS    RESTARTS   AGE
coredns-5c98db65d4-gmmrn         1/1     Running   0          25d
coredns-5c98db65d4-w24d7         1/1     Running   0          25d
etcd-master                      1/1     Running   0          25d
kube-apiserver-master            1/1     Running   0          25d
kube-controller-manager-master   1/1     Running   0          25d
kube-flannel-ds-amd64-4dgcs      1/1     Running   0          25d
kube-flannel-ds-amd64-55xzq      1/1     Running   0          25d
kube-flannel-ds-amd64-l8r2b      1/1     Running   0          25d
kube-proxy-4hj92                 1/1     Running   0          25d
kube-proxy-dcprb                 1/1     Running   0          25d
kube-proxy-prdjp                 1/1     Running   0          25d
kube-scheduler-master            1/1     Running   0          25d

kubectl exec -it kube-proxy-prdjp -n kube-system sh
# ls /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/
ca.crt    namespace  token

------------------------ 鉴权（Authorization） ----------------------------

之前的认证（Authentication）过程，只是确定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，一般用于测试
●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。也就是说定义一个访问类型的属性，用户可以使用这个属性访问对应的资源。此方式设置较为繁琐，每次设置需要定义一长串的属性才可以。
●Webhook：通过调用外部 REST 服务对用户进行授权，即可在集群外部对K8S进行鉴权
●RBAC（Role-Based Access Control）：基于角色的访问控制，K8S自1.6版本起默认使用规则

//RBAC 相对其它访问控制方式，拥有以下优势：
●对集群中的资源（Pod,Deployment,Service）和非资源（元信息或者资源状态）均拥有完整的覆盖
●整个 RBAC 完全由几个 API 资源对象完成，同其它 API 资源对象一样，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 Server，而 ABAC 则需要重启 API Server

//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 Server 操作。

官方文档：https://kubernetes.io/docs/reference/access-authn-authz/rbac/

//角色
Role：授权指定命名空间的资源控制权限
ClusterRole：可以授权所有命名空间的资源控制权限
#如果使用 RoleBinding 绑定 ClusterRole，仍会受到命名空间的影响；如果使用 ClusterRoleBinding 绑定 ClusterRole， 将会作用于整个 K8S 集群。

//角色绑定
RoleBinding：将角色绑定到主体（即subject）
ClusterRoleBinding：将集群角色绑定到主体

//主体（subject）
User：用户
Group：用户组
ServiceAccount：服务账号
#User 使用字符串表示，它的前缀 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；Group 书写格式与 User 相同，同样 system: 前缀也为系统保留。
#Pod使用 ServiceAccount 认证时，service-account-token 中的 JWT 会保存用户信息。 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。

//Role and ClusterRole
在 RBAC API 中，Role 表示一组规则权限，权限只能增加（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。也就是说只有白名单权限，而没有黑名单权限的概念。

Role 只能定义在一个 namespace 中，如果想要跨 namespace 则可以创建 ClusterRole，也就是说定义 ClusterRole 不需要绑定 namespace。
#Role 示例：
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1  #指定 core API 组和版本
kind: Role   #指定类型为 Role
metadata:
  namespace: default   #使用默认命名空间
  name: pod-reader   #Role 的名称
rules:   #定义规则
- apiGroups: [""]  #标明 core API 组
  resources: ["pods"]  #资源对象为 Pod 类型
  verbs: ["get", "watch", "list"]  #被授予的操作权限

#以上配置的意义是，如果把 pod-reader 这个 Role 赋予给一个用户，那么这个用户将在 default 命名空间中具有对 Pod 资源对象 进行 get（获取）、watch（监听）、list（列出）这三个操作权限。

#ClusterRole 示例：
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  # "namespace" 被忽略，因为 ClusterRoles 不受名字空间限制
  name: secret-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["secrets"]  #资源对象为 Secret 类型
  verbs: ["get", "watch", "list"]

//RoleBinding and ClusterRoleBinding
RoloBinding 可以将角色中定义的权限授予用户或用户组，RoleBinding 包含一组主体（subject），subject 中包含有不同形式的待授予权限资源类型（User、Group、ServiceAccount）；
RoloBinding 同样包含对被绑定的 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

#RoleBinding 示例1：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
  namespace: default
subjects:
- kind: User
  name: zhangsan
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

#将 default 命名空间的 pod-reader Role 授予 zhangsan 用户，此后 zhangsan 用户在 default 命名空间中将具有 pod-reader 的权限。

RoleBinding 同样可以引用 ClusterRole 来对当前 namespace 内 User、Group 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。

#RoleBinding 示例2：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-secrets
  namespace: kube-public
subjects:
- kind: User
  name: lisi
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: secret-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

#以上 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 lisi 只能访问 kube-public 空间中的 secrets（因为 RoleBinding 定义在 kube-public 命名空间）。

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

#ClusterRoleBinding 示例：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
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

#以上 ClusterRoleBinding 授权 manager 组内所有用户在全部命名空间中对 secrets 进行访问。

//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 log 资源就属于 pods 的子资源，API 中对 Pod 日志的请求 URL 样例如下：

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

kubectl get pods myapp-demo1 -n default

HTTP GET   https://192.168.80.10:6443/v1/namespaces/default/pods/myapp-demo1/log

#在这里，pods 对应名字空间作用域的 Pod 资源，而 log 是 pods 的子资源。

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 / 分隔符来分隔资源和子资源实现。

#以下是一个定义允许某主体读取 pods 同时访问这些 Pod 的 log 子资源的 Role 定义样例：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: default
  name: pod-and-pod-logs-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods", "pods/log"]
  verbs: ["get", "list"]

  
#rules.verbs有："get", "list", "watch", "create", "update", "patch", "delete", "exec"
#rules.resources有："services", "endpoints", "pods", "secrets", "configmaps", "crontabs", "deployments", "jobs", "nodes", "rolebindings", "clusterroles", "daemonsets", "replicasets", "statefulsets", "horizontalpodautoscalers", "replicationcontrollers", "cronjobs"
#rules.apiGroups有："","apps", "autoscaling", "batch"

-------------------- 准入控制（Admission Control） --------------------

准入控制是 API Server 的一个准入控制器插件列表，通过添加不同的插件，实现额外的准入控制规则。发送到 API Server 的请求都需要经过这个列表中的每个准入控制器插件的检查，检查不通过，则拒绝请求。
一般建议直接采用官方默认的准入控制器。

//官方准入控制器推荐列表（不同版本各有不同）：
NamespaceLifecycle,LimitRanger,ServiceAccount,DefaultStorageClass,DefaultTolerationSeconds,MutatingAdmissionWebhook,ValidatingAdmissionWebhook,ResourceQuota,NodeRestriction

//列举几个插件的功能：
●NamespaceLifecycle：用于命名空间回收，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：用于配额管理，确保请求的资源量不会超过资源所在 Namespace 的 LimitRange 的限制。
●ServiceAccount：用于在每个 Pod 中自动化添加 ServiceAccount，方便访问 API Server。
●ResourceQuota：基于命名空间的高级配额管理，确保请求的资源数量不会超过资源的 ResourceQuota 限制。
●NodeRestriction： 用于 Node 加入到 K8S 群集中以最小权限运行。

官方文档参考：https://kubernetes.io/zh/docs/reference/access-authn-authz/admission-controllers/

------------------- 实践：创建一个用户只能管理指定的命名空间 -------------------
//创建一个用户
useradd zhangsan
passwd zhangsan

//使用这个用户进行资源操作，会发现连接 API Server 时被拒绝访问请求
su - zhangsan

kubectl get pods
The connection to the server localhost:8080 was refused - did you specify the right host or port?

//创建用于用户连接到 API Server 所需的证书和 kubeconfig 文件
//先上传证书生成工具 cfssl、cfssljson、cfssl-certinfo 到 /usr/local/bin 目录中
chmod +x /usr/local/bin/cfssl*

mkdir /opt/zhangsan
cd /opt/zhangsan

vim user-cert.sh

#######################
cat > zhangsan-csr.json <

#API Server 会把客户端证书的 CN 字段作为 User，把 names.O 字段作为 Group

cd /etc/kubernetes/pki/
cfssl gencert -ca=ca.crt -ca-key=ca.key -profile=kubernetes /opt/zhangsan/zhangsan-csr.json | cfssljson -bare zhangsan 
###############################

chmod +x user-cert.sh
./user-cert.sh
#/etc/kubernetes/pki/ 目录中会生成 zhangsan-key.pem、zhangsan.pem、zhangsan.csr

cd /opt/zhangsan

vim rbac-kubeconfig.sh
APISERVER=$1
# 设置集群参数
export KUBE_APISERVER="https://$APISERVER:6443"
kubectl config set-cluster kubernetes \
  --certificate-authority=/etc/kubernetes/pki/ca.crt \
  --embed-certs=true \
  --server=${KUBE_APISERVER} \
  --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

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

# 设置上下文参数
kubectl config set-context kubernetes \
  --cluster=kubernetes \
  --user=zhangsan \
  --namespace=xny \
  --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

# 使用上下文参数生成 zhangsan.kubeconfig 文件
kubectl config use-context kubernetes --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

kubectl create namespace xny
chmod +x rbac-kubeconfig.sh
./rbac-kubeconfig.sh 192.168.80.10

//查看证书
cat zhangsan-kubeconfig

mkdir /home/zhangsan/.kube
cp zhangsan.kubeconfig /home/zhangsan/.kube/config
chown -R zhangsan:zhangsan /home/zhangsan/.kube/
//RBAC授权
vim rbac.yaml

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: xny
  name: pod-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "watch", "list", "create"]

---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
  namespace: xny
subjects:
- kind: User
  name: zhangsan
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

  
  
kubectl apply -f rbac.yaml

kubectl get role,rolebinding -n xny
NAME                                        AGE
role.rbac.authorization.k8s.io/pod-reader   32s

NAME                                              AGE
rolebinding.rbac.authorization.k8s.io/read-pods   32s

//切换用户，测试操作权限
su - zhangsan

vim pod-test.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-test
spec:
  containers:
    - name: nginx
      image: nginx

kubectl create -f pod-test.yaml

kubectl get pods -o wide
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE    IP           NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-test   1/1     Running   0          114s   10.244.2.2   node02            

//访问 svc 资源就会被拒绝
kubectl get svc
Error from server (Forbidden): services is forbidden: User "zhangsan" cannot list resource "services" in API group "" in the namespace "xny"

//也无法访问 default 命名空间
kubectl get pods -n default
Error from server (Forbidden): pods is forbidden: User "zhangsan" cannot list resource "pods" in API group "" in the namespace "default"

//使用 root 用户查看
kubectl get pods --all-namespaces -o wide
NAMESPACE     NAME        READY   STATUS    RESTARTS   AGE    IP              NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
xny           pod-test    1/1     Running   0          107s   10.244.2.2      node02            
......
#由此可以看出 RoleBinding 的用户只能管理指定的命名空间中的资源

//也可以通过绑定 admin 角色，来获得管理员权限
kubectl create rolebinding zhangsan-admin-binding --clusterrole=admin --user=zhangsan --namespace=xny