探索云原生技术之容器编排引擎-Kubernetes/K8S详解(9)

❤️作者简介：2022新星计划第三季云原生与云计算赛道Top5、华为云享专家、云原生领域潜力新星

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作者目的：如有错误请指正，将来会不断的完善笔记，帮助更多的Java爱好者入门，共同进步！

基本理论介绍

什么是云原生

Pivotal公司的Matt Stine于2013年首次提出云原生（Cloud-Native）的概念；2015年，云原生刚推广时，Matt Stine在《迁移到云原生架构》一书中定义了符合云原生架构的几个特征：12因素、微服务、自敏捷架构、基于API协作、扛脆弱性；到了2017年，Matt Stine在接受InfoQ采访时又改了口风，将云原生架构归纳为模块化、可观察、可部署、可测试、可替换、可处理6特质；而Pivotal最新官网对云原生概括为4个要点：DevOps+持续交付+微服务+容器。

总而言之，符合云原生架构的应用程序应该是：采用开源堆栈（K8S+Docker）进行容器化，基于微服务架构提高灵活性和可维护性，借助敏捷方法、DevOps支持持续迭代和运维自动化，利用云平台设施实现弹性伸缩、动态调度、优化资源利用率。

（此处摘选自《知乎-华为云官方帐号》）

什么是kubernetes

kubernetes，简称K8s，是用8代替8个字符"ubernete"而成的缩写。是一个开源的，用于管理云平台中多个主机上的容器化的应用，Kubernetes的目标是让部署容器化的应用简单并且高效，Kubernetes提供了应用部署，规划，更新，维护的一种机制。

传统的应用部署方式：是通过插件或脚本来安装应用。这样做的缺点是应用的运行、配置、管理、所有生存周期将与当前操作系统绑定，这样做并不利于应用的升级更新/回滚等操作，当然也可以通过创建虚拟机的方式来实现某些功能，但是虚拟机非常重，并不利于可移植性。

新的部署方式：是通过部署容器方式实现，每个容器之间互相隔离，每个容器有自己的文件系统 ，容器之间进程不会相互影响，能区分计算资源。相对于虚拟机，容器能快速部署，由于容器与底层设施、机器文件系统解耦的，所以它能在不同云、不同版本操作系统间进行迁移。

容器占用资源少、部署快，每个应用可以被打包成一个容器镜像，每个应用与容器间成一对一关系也使容器有更大优势，使用容器可以在build或release 的阶段，为应用创建容器镜像，因为每个应用不需要与其余的应用堆栈组合，也不依赖于生产环境基础结构，这使得从研发到测试、生产能提供一致环境。类似地，容器比虚拟机轻量、更"透明"，这更便于监控和管理。

Kubernetes是Google开源的一个容器编排引擎，它支持自动化部署、大规模可伸缩、应用容器化管理。在生产环境中部署一个应用程序时，通常要部署该应用的多个实例以便对应用请求进行负载均衡。

在Kubernetes中，我们可以创建多个容器，每个容器里面运行一个应用实例，然后通过内置的负载均衡策略，实现对这一组应用实例的管理、发现、访问，而这些细节都不需要运维人员去进行复杂的手工配置和处理。

（此处摘选自《百度百科》）

kubernetes核心功能

• 存储系统挂载（数据卷）：pod中容器之间共享数据，可以使用数据卷
• 应用健康检测：容器内服务可能进程阻塞无法处理请求，可以设置监控检查策略保证应用健壮性
• 应用实例的复制（实现pod的高可用）：pod控制器（deployment）维护着pod副本数量（可以自己进行设置，默认为1），保证一个pod或一组同类的pod数量始终可用，如果pod控制器deployment当前维护的pod数量少于deployment设置的pod数量，则会自动生成一个新的pod，以便数量符合pod控制器，形成高可用。
• Pod的弹性伸缩：根据设定的指标(比如：cpu利用率)自动缩放pod副本数。
• 服务发现：使用环境变量或者DNS插件保证容器中程序发现pod入口访问地址
• 负载均衡：一组pod副本分配一个私有的集群IP地址，负载均衡转发请求到后端容器。在集群内部其他pod可通过这个clusterIP访问应用
• 滚动更新：更新服务不会发生中断，一次更新一个pod，而不是同时删除整个服务。
• 容器编排：通过文件来部署服务，使得应用程序部署变得更高效
• 资源监控：node节点组件集成cAdvisor资源收集工具，可通过Heapster汇总整个集群节点资源数据，然后存储到InfluxDb时序数据库，再由Grafana展示。
• 提供认证和授权：支持角色访问控制(RBAC)认证授权等策略

k8s的安全认证

访问控制概述

概述

• 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。所谓的安全性其实就是保证对kubernetes的各种客户端进行认证和授权操作。

客户端

• 在kubernetes集群中，客户端通常由两类：

• ① User Account：一般是独立于kubernetes之外的其他服务管理的用户账号。

• ② Service Account：kubernetes管理的账号，用于为Pod的服务进程在访问kubernetes时提供身份标识

认证、授权和准入控制

• API Server是访问和管理资源对象的唯一入口。任何一个请求访问API Server，都要经过下面的三个流程：

• ① Authentication（认证）：身份鉴别，只有正确的账号才能通过认证。

• ② Authorization（授权）：判断用户是否有权限对访问的资源执行特定的动作。

• ③ Admission Control（注入控制）：用于补充授权机制以实现更加精细的访问控制功能。

认证管理

kubernetes的客户端身份认证方式

• kubernetes集群安全的关键点在于如何识别并认证客户端身份，它提供了3种客户端身份认证方式：（任选一种即可）

• 1：HTTP Base认证：

• 通过用户名+密码的方式进行认证。

• 这种方式是把“用户名:密码”用BASE64算法进行编码后的字符串放在HTTP请求中的Header的Authorization域里面发送给服务端。服务端收到后进行解码，获取用户名和密码，然后进行用户身份认证的过程。

• 2：HTTP Token认证：

• 通过一个Token来识别合法用户。

• 这种认证方式是用一个很长的难以被模仿的字符串–Token来表明客户端身份的一种方式。每个Token对应一个用户名，当客户端发起API调用请求的时候，需要在HTTP的Header中放入Token，API Server接受到Token后会和服务器中保存的Token进行比对，然后进行用户身份认证的过程。

• 3： HTTPS证书认证：（安全性最高的方式，也是最推荐的方式）

• 基于CA根证书签名的双向数字证书认证方式。

• 这种认证方式是安全性最高的一种方式，但是同时也是操作起来最麻烦的一种方式。

HTTPS证书认证过程

• 1：证书申请和下发：HTTPS通信双方的服务器向CA机构申请证书，CA机构发根证书、服务端证书及私钥给申请者。

• 2：客户端和服务器的双向认证：

• 客户端向服务端发起请求，服务端下发自己的证书给客户端。客户端收到证书后，通过私钥解密证书，在证书中获取服务端的私钥。客户端利用服务器端的公钥认证证书中的信息，如果一致，则认可这个服务器。

• 客户端发送自己的证书给服务器端，服务端接收到证书后，通过私钥解密证书。在证书中获取客户端的公钥，并用该公钥认证证书信息，确认客户端是否合法。

• ③ 服务器端和客户端进行通信。

• 服务器端和客户端协商好加密方案后，客户端会产生一个随机的私钥并加密，然后发送到服务器端。

• 服务器端接收到这个私钥后，双方接下来通信的所有内容都通过该随机私钥加密。

授权管理

概述

• 授权发生在认证成功之后，通过认证就可以知道请求用户是谁，然后kubernetes会根据事先定义的授权策略来决定用户是否有权限访问，这个过程就称为授权。

• 每个发送到API Server的请求都带上了用户和资源的信息：比如发送请求的用户、请求的路径、请求的动作等，授权就是根据这些信息和授权策略进行比较，如果符合策略，则认为授权通过，否则会返回错误。

API Server目前支持的几种授权策略

• AlwaysDeny：表示拒绝所有请求，一般用于测试。

• AlwaysAllow：允许接收所有的请求，相当于集群不需要授权流程（kubernetes默认的策略）。

• ABAC：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。

• Webhook：通过调用外部REST服务对用户进行授权。

• Node：是一种专用模式，用于对kubelet发出的请求进行访问控制。

• RBAC：基于角色的访问控制（kubeadm安装方式下的默认选项）。

RBAC

概述

• RBAC（Role Based Access Control）：基于角色的访问控制，主要是在描述一件事情：给哪些对象授权了哪些权限。

• RBAC涉及到了下面几个概念：

• 对象：User、Groups、ServiceAccount。

• 角色：代表着一组定义在资源上的可操作的动作（权限）的集合。

• 绑定：将定义好的角色和用户绑定在一起。

• RBAC还引入了4个顶级资源对象：

• Role、ClusterRole：角色，用于指定一组权限。

• RoleBinding、ClusterRoleBinding：角色绑定，用于将角色（权限的集合）赋予给对象。

Role和ClusterRole（角色/权限）

• 角色：一个角色就是一组权限的集合，这里的权限都是许可形式的（白名单）。

• Role的资源清单（Role只能对命名空间内的资源进行授权，需要指定namespace）

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  name: authorization-role
  namespace: test #要指定namespace
rules:
  - apiGroups: [""] # 支持的API组列表，""空字符串，表示核心API群
    resources: ["pods"] # 支持的资源对象列表
    verbs: ["get","list"] #支持的操作方法

• ClusterRole的资源清单（ClusterRole可以对集群范围内的资源、跨namespace的范围资源、非资源类型进行授权，所以不用指定其namespace）

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: authorization-clusterrole
rules:
  - apiGroups: [""] # 支持的API组列表，""空字符串，表示核心API群
    resources: ["pods"] # 支持的资源对象列表
    verbs: ["get","list"] #支持的操作方法

rules中的参数说明：

• apiGroups：

• 支持的API组列表。

• “”,”apps”,”autoscaling”,”batch”。

• resources：

• 支持的资源对象列表。

• -“services”,“endpoints”,“pods”,“secrets”,“configmaps”,“crontabs”,“deployments”,“jobs”,“nodes”,“rolebindings”,“clusterroles”,“daemonsets”,“replicasets”,“statefulsets”,“horizontalpodautoscalers”,“replicationcontrollers”,“cronjobs”。

• verbs：

• 对资源对象的操作方法列表。

• “get”, “list”, “watch”, “create”, “update”, “patch”, “delete”, “exec”。

RoleBinding和ClusterRoleBinding（角色绑定）

• 角色绑定：角色绑定是用来把一个角色绑定到一个目标对象上，绑定目标可以是User、Group或者ServiceAccount。

• RoleBinding的资源清单：（RoleBinding可以将同一namespace中的subject对象绑定到某个Role下，则此Subject具有该Role定义的权限）

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

• ClusterRoleBinding的资源清单：（ClusterRoleBinding在整个集群级别和所有namespaces将特定的subject与ClusterRole绑定，授予权限，其不用指定namespace）

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: authorization-clusterrole-binding
subjects:
  - kind: User
    name: myname
    apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: ClusterRole
  name: authorization-clusterrole

RBAC实战（重点⭐）

案例：创建一个只能管理test命名空间下Pods资源的kubernetes账号（帐号名为：user-test）。

创建kubernetes账号

• 注意：如果账户名你想自定义成自己想要的，那就把所有user-test替换成你的帐号新名称。

• 1：创建证书：

cd /etc/kubernetes/pki/

(umask 077;openssl genrsa -out user-test.key 2048)

• 用API Server的证书去签署证书：

• 签名申请：申请的用户是user-test，组是testgroup

• [root@k8s-master pki]# openssl req -new -key user-test.key -out user-test.csr -subj "/CN=user-test/O=testgroup"
  

• 签署证书：

• [root@k8s-master pki]# openssl x509 -req -in user-test.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out user-test.crt -days 3650
  Signature ok
  subject=/CN=user-test/O=testgroup
  Getting CA Private Key
  

• 设置集群、用户、上下文信息：（注意：–server的ip地址要改成你的）

• [root@k8s-master pki]# kubectl config set-cluster kubernetes --embed-certs=true --certificate-authority=/etc/kubernetes/pki/ca.crt --server=https://192.168.184.100:6443
  Cluster "kubernetes" set.
  

• [root@k8s-master pki]# kubectl config set-credentials user-test --embed-certs=true --client-certificate=/etc/kubernetes/pki/user-test.crt --client-key=/etc/kubernetes/pki/user-test.key
  User "user-test" set.
  

• [root@k8s-master pki]# kubectl config set-context user-test@kubernetes --cluster=kubernetes --user=user-test
  Context "user-test@kubernetes" created.
  

• 切换账号到user-test：

• [root@k8s-master pki]# kubectl config use-context user-test@kubernetes
  Switched to context "user-test@kubernetes".
  

• 查看namespace为test下的Pod，发现没有权限：

• [root@k8s-master pki]# kubectl get pods -n test
  Error from server (Forbidden): pods is forbidden: User "user-test" cannot list resource "pods" in API group "" in the namespace "test"
  

• 切换到admin账户：

• [root@k8s-master pki]# kubectl config use-context kubernetes-admin@kubernetes
  Switched to context "kubernetes-admin@kubernetes".
  

创建Role和RoleBinding，为user-test授权

• 1：编写配置文件：

vim role-test.yaml

• 内容如下：

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  name: role-test
  namespace: test # 通过指定namespace方式来限制这个帐号只能操作这个test命名空间内的资源
rules:
  - apiGroups: [""] # 支持的API组列表，""空字符串，表示核心API群
    resources: ["pods"] # 支持的资源对象列表
    verbs: ["get","list"]

---

kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: role-binding-test
  namespace: test # 通过指定namespace方式来限制这个帐号只能操作这个test命名空间内的资源
subjects:
  - kind: User
    name: user-test # 我们在k8s新建的帐号名
    apiGroup: rbac.authorization.k8s.io 
roleRef:
  kind: Role 
  name: role-test
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

• 2：执行配置文件：

[root@k8s-master pki]# kubectl apply -f role-test.yaml
role.rbac.authorization.k8s.io/role-test created
rolebinding.rbac.authorization.k8s.io/role-binding-test created

切换到新账户进行验证

• 1：切换账户到user-test：

[root@k8s-master pki]# kubectl config use-context user-test@kubernetes
Switched to context "user-test@kubernetes".

• 2：使用这个新帐号user-test查看namespace为test下的Pod，看看是否成功：（说明权限分配成功了）

[root@k8s-master pki]# kubectl get pod -n test
NAME            READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod-configmap   1/1     Running   1          21h
pod-secret      1/1     Running   1          16h

• 3：因为我们的帐号只能查看test命名空间下的Pod，我们现在查看其它资源：

[root@k8s-master pki]# kubectl get pod -n kube-system
Error from server (Forbidden): pods is forbidden: User "user-test" cannot list resource "pods" in API group "" in the namespace "kube-system"

• 4：切换到admin账户：

[root@k8s-master pki]# kubectl config use-context kubernetes-admin@kubernetes
Switched to context "kubernetes-admin@kubernetes".

准入控制

当前可配置的Admission Control（准入控制）

• AlwaysAdmit：允许所有请求。

• AlwaysDeny：禁止所有请求，一般用于测试。

• AlwaysPullImages：在启动容器之前总去下载镜像。

• DenyExecOnPrivileged：它会拦截所有想在Privileged Container上执行命令的请求。

• ImagePolicyWebhook：这个插件将允许后端的一个Webhook程序来完成admission controller的功能。

• Service Account：实现ServiceAccount实现了自动化。

• SecurityContextDeny：这个插件将使用SecurityContext的Pod中的定义全部失效。

• ResourceQuota：用于资源配额管理目的，观察所有请求，确保在namespace上的配额不会超标。

• LimitRanger：用于资源限制管理，作用于namespace上，确保对Pod进行资源限制。

• InitialResources：为未设置资源请求与限制的Pod，根据其镜像的历史资源的使用情况进行设置。

• NamespaceLifecycle：如果尝试在一个不存在的namespace中创建资源对象，则该创建请求将被拒 绝。当删除一个namespace时，系统将会删除该namespace中所有对象。

• DefaultStorageClass：为了实现共享存储的动态供应，为未指定StorageClass或PV的PVC尝试匹配默认StorageClass，尽可能减少用户在申请PVC时所需了解的后端存储细节。

• DefaultTolerationSeconds：这个插件为那些没有设置forgiveness tolerations并具有notready:NoExecute和unreachable:NoExecute两种taints的Pod设置默认的“容忍”时间，为5min。

• PodSecurityPolicy：这个插件用于在创建或修改Pod时决定是否根据Pod的security context和可用的 PodSecurityPolicy对Pod的安全策略进行控制

❤️本章结束，我们下一章见❤️