k8s 原生安全机制

目录

机制说明

Authentication

安全性说明

关于证书颁发

关于kubeconfig文件

ServiceAccount

Secret 与 SA 的关系

鉴权

Authorization

RBAC 授权模式

RBAC 的 API 资源对象说明

Role and ClusterRole

RoleBinding and ClusterRoleBinding

Resources

to Subjects

实践：创建一个用户只能管理 dev 空间

1. 首先创建一个新的用户

2. 创建用户信息

3. 下载cfssl工具进行证书的创建

4. 接着就可以去设置集群参数

5. 设置客户端认证参数

6. 设置上下文参数

7. 设置默认上下文

8. 验证

准入控制

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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。Kubernetes 使用了认证（Authentication）、鉴权（Authorization）、准入控制（AdmissionControl）三步来保证API Server的安全。。。

Authentication

1. 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字符串 - Token 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

2. 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，服务端收到后进行编码，获取用户名及密码

3. 最严格的 HTTPS 证书认证：基于 CA 根证书签名的客户端身份认证方式

在k8s中，节点的访问是一个双向认证，认证过程如下图

Ⅰ、HTTPS 证书认证：

Ⅱ、需要认证的节点

两种类型

Kubenetes 组件对 API Server 的访问：kubectl、Controller Manager、Scheduler、kubelet、kube-proxy。

Kubernetes 管理的 Pod对容器的访问：Pod（dashborad 也是以 Pod 形式运行）。

安全性说明

1. 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， --insecure-bind-address=127.0.0.1。。

2. kubectl、kubelet、kube-proxy 访问 API Server 就都需要证书进行 HTTPS 双向认证。

关于证书颁发

手动签发：通过 k8s 集群的跟 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

关于kubeconfig文件

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 信息（集群名称、用户名）。Kubenetes 组件通过启动时指定不同的 kubeconfig 文件可以切换到不同的集群。

ServiceAccount

Pod中的容器访问API Server。因为Pod的创建、销毁是动态的，所以要为它手动生成证书就不可行了。Kubenetes使用了Service Account解决Pod 访问API Server的认证问题。

SA是pod中的容器跟我们的API Server进行交互认证的机制，为啥不用像组件之间的HTTPS的双向认证呢，因为Pod的创建、销毁是动态的，动态的含义就是我们一下子会创建出来几十个，几百个pod，如果使用HTTPS证书认证的过程的话，此时就需要新建出来几十个，几百个证书，然后我们的pod也可能会随时销毁，此时相关的证书就会报废，这个过程消耗的资源很大。

Secret 与 SA 的关系

Kubernetes 设计了一种资源对象叫做 Secret，分为两类，一种是用于 ServiceAccount 的 service-account-token， 另一种是用于保存用户自定义保密信息的 Opaque。ServiceAccount 中用到包含三个部分：Token、ca.crt、namespace

1. token是使用 API Server 私钥签名的 JWT。用于访问API Server时，Server端认证

2. ca.crt，根证书。用于Client端验证API Server发送的证书

3. namespace, 标识这个service-account-token的作用域名空间

JWT：全称Json web token，是为了在网络应用环境间传递声明而执行的一种基于JSON的开放标准。该token被设计为紧凑且安全的，特别适用于分布式站点的单点登录（sso）场景。JWT的声明一般被用来在身份提供者和服务提供者间传递被认证的用户身份信息，以便于从资源服务器获取资源，也可以增加一些额外的其他业务逻辑所必须的声明信息，该token可以直接被用于认证，也可被加密。

kubectl get secret --all-namespaces kubectl describe secret default-token-5gm9r --namespace=kube-system

默认情况下，每个 namespace 都会有一个 ServiceAccount，如果 Pod 在创建时没有指定 ServiceAccount，就会使用 Pod 所属的 namespace 的 ServiceAccount。默认SA挂载目录在pod内部的/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/下

下面是演示证书的位置：

我们的认证分为两种

一种就是系统中的组件想要访问k8s的apiserver，组件也分两种

如果是我们的pod想要访问apiserver，就要借助到我们的SA

鉴权

当认证通过以后，并不一定就意味着就有访问资源的可能，还需要进行鉴权，鉴权通过之后，才有可能访问某些具体对象。

Authorization

上面认证过程，只是确认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）。。。

1. AlwaysDeny：表示拒绝所有的请求，一般用于测试
2. 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
3. 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
4. Webbook：通过调用外部 REST 服务对用户进行授权（也就是在集群外部对我们的k8s进行集群鉴权）
5. RBAC（Role-Based Access Control）：基于角色的访问控制，现行默认规则

RBAC 授权模式

RBAC（Role-Based Access Control）基于角色的访问控制，在 Kubernetes 1.5 中引入，现行版本成为默认标准。相对其它访问控制方式，拥有以下优势：

1. 对集群中的资源和非资源均拥有完整的覆盖。

资源：比如说我们的cpu，内存，deployment，pod等等。

非资源：就是一些元素信息，比如说，pod当前的状态。

2. 整个 RBAC 完全由几个 API 对象完成，同其它 API 对象一样，可以用 kubectl 或 API 进行操作。

3. 可以在运行时进行调整，无需重启 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（角色）、ClusterRole（集群角色）、RoleBinding（角色绑定）、ClusterRoleBinding（集群角色绑定），4 种对象类型均可以通过 kubectl 与 API 操作。

RoleBinding的含义就是把我们的Role赋予给用户，组，或者是SA。

ClusterRole的含义是能够读取我们集群下的所有名字空间的pod信息。

Role是名字空间级别的，比如说我们的把某个具有某权限的Role赋予给张三，那么张三就拥有这个名字空间级别的某个权限。

需要注意的是 Kubenetes 并不会提供用户管理，那么 User、Group、ServiceAccount 指定的用户又是从哪里来的呢？ Kubenetes 组件（kubectl、kube-proxy）或是其他自定义的用户在向 CA 申请证书时，需要提供一个证书请求文件。。。

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

kubelet 使用 TLS Bootstaping 认证时，API Server 可以使用 Bootstrap Tokens 或者 Token authentication file 验证 =token，无论哪一种，Kubenetes 都会为 token 绑定一个默认的 User 和 Group。

Pod使用 ServiceAccount 认证时，service-account-token 中的 JWT 会保存 User 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，权限只会增加(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；Role 可以定义在一个 namespace 中，如果想要跨 namespace 则可以创建ClusterRole。

kind: Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
  namespace: default       #放在哪个名字空间下
  name: pod-reader             #用户名
rules:                  #规则
- apiGroups: [""]         # "" indicates the core API group
  resources: ["pods"]       #resources的对象是我们的pod类型
  verbs: ["get", "watch", "list"]     #我们操作的动作是获取，监听和列出

上面得到简单分析一下：第7行的含义是，pod-reader它要赋予的是哪一个apigroups和我们的版本，如果后面为空的话，代表的就是我们core的核心组。。。然后我们把上面的这个role赋予给某个用户的话，那么这个用户就可以在default名字空间下去进行获取pod的信息，监听pod和列出当前的pod这三种功能。

ClusterRole 具有与 Role 相同的权限角色控制能力，不同的是 ClusterRole 是集群级别的，ClusterRole 可以用于:

1. 集群级别的资源控制( 例如 node 访问权限 )

2. 非资源型 endpoints( 例如 /healthz 访问 )

3. 所有命名空间资源控制(例如 pods )

kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
  # "namespace" omitted since ClusterRoles are not namespaced
  name: secret-reader
rules:
- apiGroups: [""]       #为空就是核心组
  resources: ["secrets"]     #对象是我们的secrets
  verbs: ["get", "watch", "list"]

分析：上面代表的含义就是如果我们把这个ClusterRole赋予给某个用户，那么这个用户能够在所有的名字空间下进行secret的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 包含一组权限列表(subjects)，权限列表中包含有不同形式的待授予权限资源类型(users, groups, or service accounts)；RoloBinding 同样包含对被Bind 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。。。。

注意一下：我们的RoleBinding 可以绑定一个Role，也可以绑定一个ClusterRole。。但是ClusterRoleBinding只能绑定 ClusterRole。

下面的是一个示例：

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

kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
    name: read-pods
    namespace: default
subjects:       #对象类型
  - kind: User
    name: jane
    apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
   kind: Role
   name: pod-reader
   apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

RoleBinding 同样可以引用 ClusterRole 来对当前 namespace 内用户、用户组或 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。

例如，以下 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  dave  只能访问 development 空间中的 secrets(因为 RoleBinding 定义在 development 命名空间)。

# This role binding allows "dave" to read secrets in the "development" namespace.
kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
  name: read-secrets
  namespace: development # This only grants permissions within the "development" namespace.
subjects:
- kind: User
  name: dave
 apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
 kind: ClusterRole
 name: secret-reader
 apiGroup: rbac.authorization.k8s.io   

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；以下 ClusterRoleBinding 样例展示了授权 manager 组内所有用户在全部命名空间中对 secrets 进行访问。

# This cluster role binding allows anyone in the "manager" group to read secrets in any
namespace.
kind: ClusterRoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
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

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 logs 资源就属于 pods 的子资源，API 中 URL 样例如下。

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

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 / 分隔符来实现，以下是一个定义 pods 资资源logs 访问权限的 Role 定义样例

kind: Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
  namespace: default
  name: pod-and-pod-logs-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods/log"]
  verbs: ["get", "list"]

to Subjects

RoleBinding 和 ClusterRoleBinding 可以将 Role 绑定到 Subjects；Subjects 可以是 groups、users 或者service accounts

Subjects 中 Users 使用字符串表示，它可以是一个普通的名字字符串，如 “alice”；也可以是 email 格式的邮箱地址，如 “[email protected]”；甚至是一组字符串形式的数字 ID 。但是 Users 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

Groups 书写格式与 Users 相同，都为一个字符串，并且没有特定的格式要求；同样 system: 前缀为系统保留。

实践：创建一个用户只能管理 dev 空间

1. 首先创建一个新的用户

[root@master1 test]# useradd devuser
[root@master1 test]# passwd devuser 
更改用户 devuser 的密码 。
新的 密码：
无效的密码： 密码是一个回文
重新输入新的 密码：
passwd：所有的身份验证令牌已经成功更新。
[root@master1 test]# 

并切换到该用户上操作

[devuser@master1 ~]$ 
[devuser@master1 ~]$ kubectl get pod 
The connection to the server localhost:8080 was refused - did you specify the right host or port?
[devuser@master1 ~]$ whoami 
devuser
[devuser@master1 ~]$ 

2. 创建用户信息

现在我们要做的就是让kubectl get pod 这个命令在devuser这个用户下执行，没有特别说明，都是以root用户执行的

[root@master1 test]# mkdir cert
[root@master1 test]# cd cert/
[root@master1 cert]# ls
[root@master1 cert]# mkdir devuser
[root@master1 cert]# cd devuser/
[root@master1 devuser]# 
[root@master1 devuser]# cat devuser-csr.json 
{
  "CN": "devuser",
  "hosts": [],    #不写代表所有主机，可以具体到某台主机
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
},
"names": [
  {
     "C": "CN",
     "ST": "ShangHai",
     "L": "ShangHai",
     "O": "k8s",
     "OU": "System"
    }
  ]
}
[root@master1 devuser]# 

3. 下载cfssl工具进行证书的创建

[root@master1 devuser]# wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64
[root@master1 devuser]# mv cfssl-certinfo_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl
[root@master1 devuser]# cd /etc/kubernetes/pki/
[root@master1 pki]# ls
apiserver.crt              apiserver.key                 ca.crt  front-proxy-ca.crt      front-proxy-client.key
apiserver-etcd-client.crt  apiserver-kubelet-client.crt  ca.key  front-proxy-ca.key      sa.key
apiserver-etcd-client.key  apiserver-kubelet-client.key  etcd    front-proxy-client.crt  sa.pub
[root@master1 pki]# cfssl gencert -ca=ca.crt -ca-key=ca.key -profile=kubernetes /root/k8s/test/cert/devuser/devuser-csr.json | cfssljson -bare devuser
2021/09/07 21:47:07 [INFO] generate received request
2021/09/07 21:47:07 [INFO] received CSR
2021/09/07 21:47:07 [INFO] generating key: rsa-2048
2021/09/07 21:47:07 [INFO] encoded CSR
2021/09/07 21:47:07 [INFO] signed certificate with serial number 560557423203251665732154361892914044395387377261
2021/09/07 21:47:07 [WARNING] This certificate lacks a "hosts" field. This makes it unsuitable for
websites. For more information see the Baseline Requirements for the Issuance and Management
of Publicly-Trusted Certificates, v.1.1.6, from the CA/Browser Forum (https://cabforum.org);
specifically, section 10.2.3 ("Information Requirements").
[root@master1 pki]# ls
apiserver.crt              apiserver.key                 ca.crt       devuser-key.pem  front-proxy-ca.crt      front-proxy-client.key
apiserver-etcd-client.crt  apiserver-kubelet-client.crt  ca.key       devuser.pem      front-proxy-ca.key      sa.key
apiserver-etcd-client.key  apiserver-kubelet-client.key  devuser.csr  etcd             front-proxy-client.crt  sa.pub
[root@master1 pki]# 

这样就生成了我们的devuser.csr 和 devuser.pem 。

4. 接着就可以去设置集群参数

[root@master1 devuser]# kubectl config set-cluster kubernetes --certificate-authority=/etc/kubernetes/pki/ca.crt --embed-certs=true --server=https://192.168.64.150:6443 --kubeconfig=devuser.kubeconfig
Cluster "kubernetes" set.
[root@master1 devuser]# 
[root@master1 devuser]# ls
devuser-csr.json  devuser.kubeconfig
[root@master1 devuser]# 

--embed-certs=true表示指定需要加密认证

最后创建出我们的devuser.kubeconfig这个文件。查看这个文件，发现有些还是空的，这个就是我们接下来要做的

5. 设置客户端认证参数

[root@master1 devuser]# kubectl config set-credentials devuser --client-certificate=/etc/kubernetes/pki/devuser.pem --client-key=/etc/kubernetes/pki/devuser-key.pem --embed-certs=true --kubeconfig=devuser.kubeconfig
User "devuser" set.
[root@master1 devuser]# 

查看一下devuser.kubeconfig这个文件，比上一次多了很多认证信息

6. 设置上下文参数

[root@master1 devuser]# kubectl config set-context kubernetes \
> --cluster=kubernetes \
> --user=devuser \
> --namespace=dev \
> --kubeconfig=devuser.kubeconfig
Context "kubernetes" created.
[root@master1 devuser]# 

7. 设置默认上下文

[root@master1 devuser]# kubectl create rolebinding devuser-admin-binding --clusterrole=admin --user=devuser --namespace=dev
rolebinding.rbac.authorization.k8s.io/devuser-admin-binding created
[root@master1 devuser]# 

上面的就是把我们的admin角色，它是一个clusterrole，它的权利很大，然后我们把它下发给devuser，并指定名字空间为dev，那么表示dev用跟admin一样的权力，只不过只对dev这个名字空间的资源有效。

然后把我们这个devuser.kubeconfig这个文件拷贝至我们的devuser登录的那台机器的/root/.kube下面，因为我这里是同一台机器，所以直接cp过去即可。

[root@master1 devuser]# cp devuser.kubeconfig /home/devuser/.kube/
[root@master1 devuser]# mv /home/devuser/.kube/devuser.kubeconfig /home/devuser/.kube/config
[root@master1 devuser]# chown devuser:devuser /home/devuser/.kube/devuser.kubeconfig

这样就完成了角色的绑定，下面我们验证一下，可以使用下面的命令切换，在1.15.9的版本中这个命令没有生效，应该是去掉了这个功能。使用1.10版本可以生效

[root@master1 devuser]# kubectl config use-context kubernetes --kubeconfig=devuser.kubeconfig
Switched to context "kubernetes".
[root@master1 devuser]# 

也可以直接登录该用户名的机器，然后创建一个pod，默认就在dev名字空间下。

[devuser@master1 ~]$ kubectl get pod 
No resources found.
[devuser@master1 ~]$ kubectl run nginx --image=busybox:alpine
[devuser@master1 ~]$ kubectl get pod 
NAME                    READY   STATUS      RESTARTS   AGE
nginx-5669d9fdd-s4q7v   0/1     Completed   1          3s

8. 验证

使用root账号，即k8s 超级管理员权限验证一下，确实在dev名字空间下

[root@master1 devuser]# kubectl get pod -A
NAMESPACE     NAME                              READY   STATUS             RESTARTS   AGE
dev           nginx-5669d9fdd-s4q7v             0/1     CrashLoopBackOff   2          33s
kube-system   coredns-645bfc575f-mpmf8          1/1     Running            11         10d
kube-system   coredns-645bfc575f-vlktl          1/1     Running            11         10d
kube-system   etcd-master1                      1/1     Running            11         10d
kube-system   kube-apiserver-master1            1/1     Running            11         10d
kube-system   kube-controller-manager-master1   1/1     Running            11         10d
kube-system   kube-flannel-ds-amd64-wn26n       1/1     Running            11         10d
kube-system   kube-proxy-8vhd7                  1/1     Running            11         10d
kube-system   kube-scheduler-master1            1/1     Running            11         10d
[root@master1 devuser]# 

准入控制

准入控制是API Server的插件集合，通过添加不同的插件，实现额外的准入控制规则。甚至于API Server的一些主要的功能都需要通过 Admission Controllers 实现，比如 ServiceAccount，我们对于准入控制，使用官方默认的即可，不需要自己去手动修改一些规则。

其实也就意味着我们现在有这样的三部曲，即认证，鉴权，准入控制。

认证其实讲白来说就是两个用户之间的识别，即到底是不是自己人，但是这个自己不一定还有什么权限，需要通过鉴权，即RBAC，基于角色进行访问控制，可以访问之后，但是不知道这个资源有没有你的访问功能，这个时候通过准入控制。

官方文档上有一份针对不同版本的准入控制器推荐列表，其中最新的 1.14 的推荐列表是：

NamespaceLifecycle,LimitRanger,ServiceAccount,DefaultStorageClass,DefaultTolerationSeconds,MutatingAdmissionWebhook,ValidatingAdmissionWebhook,ResourceQuota

列举几个插件的功能：

1. NamespaceLifecycle： 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。

2. LimitRanger：确保请求的资源不会超过资源所在 Namespace 的 LimitRange 的限制。

3. ServiceAccount： 实现了自动化添加 ServiceAccount。

4. ResourceQuota：确保请求的资源不会超过资源的 ResourceQuota 限制。

参考文章：http://www.xuyasong.com/?p=2054