【云原生】k8s安全机制

前言 

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。
 

1. 认证（Authentication） 

 1.1 k8s集群内的三种认证方式

●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。
 

1.2 k8s集群内的认证说明

（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）证书颁发的方式
 ●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）。
 

 2.鉴权（Authorization）

 2.1 鉴权的方式

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。
 

2.2 RBAC的角色与角色绑定 

RBAC的角色
 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。

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

 RBAC的主体（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。 

 
2.3 Role and ClusterRole的区别与运用

（1）Role的运用  

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的字段定义： 

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。

 rule.verbs字段的权限说明：

get: 获取资源信息
list： 列表
watch：监听
create  创建
update  更新
patch 补丁
delete：删除

kubectl explain role.apiVersion

 （2）ClusterRole的运用

 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。

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"] 

2.4 RoleBinding 与 ClusterRoleBinding 的区别与运用

（1） RoleBinding的运用
 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 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）。
 

（2） ClusterRoleBinding 的运用

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。

2.5 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 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://192.168.73.105:6443/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"

 3.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。

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。

 

4.实践运用：创建一个用户只能管理指定的命名空间

（1）创建一个新的Linux用户

useradd zhangsan
passwd zhangsan

下面我们将围绕着这个用户如何能够实现该用户能够按照我们预设的规则对k8集群所具有的操作权限，进行流程的设置 

（2）创建用于用户连接到 API Server 所需的证书和 kubeconfig 文件 

cd /usr/local/bin
上传相关的cfssl文件
 
chmod +x cfssl*

mkdir /opt/zhangsan
cd /opt/zhangsan
 
vim user-cert.sh
#######################
cat > zhangsan-csr.json < {
  "CN": "zhangsan",
  "hosts": [],
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "ST": "BeiJing",
      "L": "BeiJing",
      "O": "k8s",
      "OU": "System"
    }
  ]
}
EOF
#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=test \
  --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig
 
# 使用上下文参数生成 zhangsan.kubeconfig 文件
kubectl config use-context kubernetes --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig
 
#创建一个网络命名空间test  对应zhangsan的namesapce中的配置项
chmod +x rbac-kubeconfig.sh
./rbac-kubeconfig.sh 192.168.73.105

 

 mkdir /home/zhangsan/.kube
cp zhangsan.kubeconfig /home/zhangsan/.kube/config
chown -R zhangsan:zhangsan /home/zhangsan/.kube/

 

（3） 进行rbac的授权 

vim rbac.yaml
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: kgc
  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: kgc
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

 

 

（4）切换到授权绑定的用户，再次进行测试 

 

 切换回root用户：

exit
kubectl get pods
 
kubectl get pods -n test

 此外：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=test