18.安全机制

安全机制

• 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。

kubectl get secrets -n kube-system

kubectl describe secrets ttl-controller-token-t9pqr -n kube-system

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）。

鉴权（Authorization）

概念和组成

• 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 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

• 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。

创建Role和ClusterRole

• 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。

##查看命名空间
kubectl api-resources

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

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"

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole           #类型
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"]

创建RoleBinding 和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

ClusterRole + ClusterRoleBinding     全局有效
ClusterRole +RoloBinding             在RoloBinding   的命名空间有效

Role +RoloBinding                    在同一个命名空间有效

##创建RoleBinding +  Role


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

##创建RoleBinding +  ClusterRole

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）

##创建ClusterRoleBinding  +  ClusterRole

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

##陈述式创建

kubectl create clusterrolebinding 指定名称 --clusterrole=集群角色名称 --user=zhangsan 

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


kubectl logs test01
实际上就是执行
http GET https://192.168.10.20:6443/v1/namespaces/default/pods/test01/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。

#例     对  pod资源具有  创建 删除 查看 列表 监听 权限
#        对 pod的log子资源有 查看 列表 监听 权限

rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]          
  verbs: ["create", "delete", "get", "list", "watch"]
  
- apiGroups: 
  - ""
  resources: 
  - pods/log
  verbs: 
  - get
  - list
  - watch

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/

##计算资源配额

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: compute-resources
  namespace: defaault
spec:
  hard:
    pods: "20"
    requests.cpu: "2"
    requests.memory: 1Gi
    limits.cpu: "4"
    limits.memory: 2Gi

##配置对象数量配额限制

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: object-resources
  namespace: defaault
spec:
  hard:
    configmaps: "10"
    persistentvolumeclaims: "4"             #pvc数量的最大值
    replicationcontrollers: "20"            #rc数量的最大值
    secrets: "10"
    services: "10"
    services.loadbalancers: "2"

##利用  LimitRange资源类型

apiVersion: v1
kind: LimitRange
metadata:
  name: compute-resources
  namespace: defaault
spec:
  limits:
  - default:                    #即  limit的值
      memory: 512Mi
      cpu: 500m
    defaultRequest:             #request的值
      memory: 256Mi
      cpu: 100m
    type: Container
      

实验：创建一个用户管理指定的命名空间的资源

创建zhangsan  用户，在  test 命名空间中，
对  deployment  service  ingress 资源有  创建 删除 查看 列表 权限
对  pod   有   创建  列表 查看  监听  权限

##创建用户
useradd zhangsan
echo 123 | passwd --stdin zhangsan

生成证书和私钥

##上传  cfssl的文件
cfssl
cfssl-certinfo
cfssljson

##移动到系统运行目录中
chmod +x cfssl*
mv cfssl* /usr/local/bin/

##创建要生成的密钥文件
vim zhangsan-cert.sh

cat > zhangsan-csr.json <<EOF
{
  "CN": "zhangsan",
  "hosts": [],
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "L": "BeiJing",
      "ST": "BeiJing",
      "O": "test",       
      "OU": "System"
    }
  ]
}
EOF

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 zhangsan-cert.sh
./zhangsan-cert.sh

生成kubeconfig文件

vim zhangsan-kubeconfig.sh

KUBE_APISERVER="https://192.168.10.10:6443"
SSL_DIR="/etc/kubernetes/pki"
# 设置集群参数
kubectl config set-cluster kubernetes \
  --certificate-authority=$SSL_DIR/ca.crt \
  --embed-certs=true \
  --server=${KUBE_APISERVER} \
  --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

# 设置客户端认证参数，zhangsan 使用 TLS 证书认证
kubectl config set-credentials zhangsan \
  --client-certificate=$SSL_DIR/zhangsan.pem \
  --client-key=$SSL_DIR/zhangsan-key.pem \
  --embed-certs=true \
  --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

# 设置上下文参数
kubectl config set-context default \
  --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 default --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

##创建  test  命名空间
kubectl create namespace test

kubectl get ns

chmod +x zhangsan-kubeconfig.sh
./zhangsan-kubeconfig.sh

##将  zhangsan.kubeconfig  放到  zhangsan  用户的家目录中

在  root  用户下，给文件权限
chmod 744 zhangsan.kubeconfig

su - zhangsan

mkdir /home/zhangsan/.kube
cp /opt/zhangsan/zhangsan.kubeconfig /home/zhangsan/.kube/config
chmod 600 /home/zhangsan/.kube/config

授予权限

vim role.yaml

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

- apiGroups: ["apps"]                    
  resources: ["deployments"]                 
  verbs: ["create", "delete", "get", "list"]  

- apiGroups: [""]                    
  resources: ["services"]                 
  verbs: ["create", "delete", "get", "list"]  

- apiGroups: ["extensions"]                    
  resources: ["ingresses"]                 
  verbs: ["create", "delete", "get", "list"]  

##绑定
vim rolebinding.yaml

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: wangdian-rolebinding
  namespace: test
subjects:
- kind: User                           
  name: zhangsan                      
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role                          
  name: zhangsan-role                     
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

kubectl apply -f rolebinding.yaml

总结

• K8S 的安全机制

  • 客户端应用若想发送请求到 apiserver 操作管理K8S资源对象，需要先通过三关安全验证：认证（Authentication）、鉴权（Authorization）、准入控制（Admission Control）

• 认证 确认请求方是否有连接 apiserver 的权限

  • token认证（通过token字符串来认证） base认证（根据 账户:密码 的格式来认证）
  • https认证（通过6443端口，使用证书和私钥来认证，支持双向认证）

• 认证过程

  • K8S组件（kubectl、kubelet等）可通过使用cfssl工具手动签发或者通过bootstrap机制自动签发证书，并生成kubeconfig文件，引用其中的集群参数（ca证书、apiserver地址）和客户端参数（证书和私钥）连接到指定的K8S集群的apiserver，默认使用https的6443端口与apiserver通信。
  • 以Pod形式运行的组件（dashboard、cni网络插件、外置存储卷插件、ingress控制器等），使用serviceaccount账户作为Pod的服务账户（如果没有指定则默认使用当前命名空间的default），同时K8S也会自动创建相关的service-account-token类型的Secret资源，Pod启动时会自动挂载相关的Secret卷到容器的/var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount目录，并使用其中的token访问apiserver作认证。

• 鉴权（确认请求方具有哪些资源对象的操作权限）

  • RBAC（基于角色的访问控制） 包含4个资源对象 Role ClusterRole RoleBinding ClusterRoleBinding
  • 角色（Role ClusterRole）定义角色能够对哪些 资源对象 拥有哪些 操作权限
    Role 受命名空间的影响，只能在指定的命名空间中操作资源
  • ClusterRole 默认能够在K8S集群中所有的命名空间中操作资源，不要配置 namespace
  • 角色绑定（RoleBinding ClusterRoleBinding）将主体账户subjects（User、Group、ServiceAccount）与角色进行绑定，使得主体账户具有角色相关的资源操作权限
  • RoleBinding 可以与相同命名空间的Role绑定，使主体账户在指定的命名空间中具有角色相关的资源操作权限
  • 也可以与ClusterRole绑定，使主体账户只在RoleBinding指定的命名空间中具有集群角色相关的资源操作权限
  • ClusterRoleBinding 只能与与ClusterRole绑定，使主体账户在所有的命名空间中具有集群角色相关的资源操作权限

• 如何授权让一个普通用户能够使用 kubectl 在 K8S 中具有操作资源权限？

  • 先 认证 授权
    1. 签发 kubectl 用户的证书和私钥文件
    2. 创建 kubectl 的 kubeconfig 集群配置文件，移动并修改文件名为 ~/.kube/config
  • 再 鉴权 授权
    3. 先创建角色（Role|ClusterRole）

rules:
- apiGroups: [""]      #指定 api 组，可参考 kubectl api-resources 的 APIVERSION 字段
  resources: ["pods"]  #指定授权的 资源名（pods） 或者 子资源名（pods/log）
  verbs: ["create", "delete", "get", "list", "watch"]   #指定对资源对象的 操作权限

• • 4. 给主体账户（User、Group、ServiceAccount）绑定角色（Role|ClusterRole）

kubectl create rolebinding <资源名称> --role= --user|group=  [--serviceaccount=<命名空间>:]  -n 命名空间
kubectl create clusterrolebinding <资源名称> --clusterrole=  --user= [--group=  --serviceaccount=  ]

• 准入控制（使用额外的准入控制插件对资源请求进行检查，如果检查不通过则会拒绝请求）
• K8S在初始化时会默认启用官方推荐的准入控制插件，也可以修改 apiserver 的启动参数 --enable-admission-plugins= 来添加指定的准入控制插件
  • LimitRanger：用于给指定的命名空间中Pod或容器设置默认的 requests 和 limits 资源量限制
  • ResourceQuota：用于限制在指定的命名空间中能够创建的最大资源对象数量和 Pod 的 requests|limits 资源量限制