k8s集群安装学习笔记七——Kubernetes集群安全

简介：

Kubernetes集群安全
Authentication：认证，确认通信的双方都确认了对方是可信的，可以相互通信
Authorization ：鉴权，确定请求方有哪些资源的权限。
AdmissionControl：准入控制

Kubernetes集群安全

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

>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。

>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。

>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 （基本用这个，其他的不怎么安全）

 

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

　　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 。

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

 

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。

Ⅲ、kubeconfig

kubeconfifig 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。

 

Ⅳ、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 。

 

Ⅴ、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。

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

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

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

<!-- 

Json web token (JWT)，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也可直接被用户认证，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

 <!-- 默认挂载目录： /run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/  -->

总结 

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）。

　　AlwaysDeny：表示拒绝所有的请求，一般用于测试。 //测试用

　　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。 //测试用

　　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。

　　Webbook：通过调用外部 REST 服务对用户进行授权。

　　RBAC（Role-Based Access Control）：基于角色的访问控制，现行默认规则 。 //常用

 

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：

　　对集群中的资源和非资源均拥有完整的覆盖。

　　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。

　　可以在运行时进行调整，无需重启 API Server 。

Ⅰ、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 操作 。

 

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。

 

{ 
    "CN": "admin", 
    "hosts": [], 
    "key": { 
        "algo": "rsa", 
        "size": 2048 
    },
    "names": [ 
        { 
            "C": "CN", 
            "ST": "HangZhou", 
            "L": "XS", 
            "O": "system:masters", 
            "OU": "System" 
        } 
    ] 
}                                      

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  #名称空间
  name: pod-reader #用户名
rules: 
- apiGroups: [""] # "" indicates the core API group 
  resources: ["pods"] 
  verbs: ["get", "watch", "list"] #操作的动作

 

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: 

　　集群级别的资源控制( 例如 node 访问权限 )

　　非资源型 endpoints( 例如 /healthz 访问 ) 

　　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: [""]  #为空表示核心组
  resources: ["secrets"] 
  verbs: ["get", "watch", "list"] #可以看所有名称空间下进行操作

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。

 

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: 
  - 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2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","pods/log"]  #可以看到pods及pods/log目录及其子目录文件
  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 “wangyanglinux@163.com”；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

$ useradd devuser
$ passwd devuser

现在直接使用devuser登录访问，访问肯定是拒绝的

创建证书请求文件

$ mkdir -p  /usr/local/install-k8s/cert/devuser && cd /usr/local/install-k8s/cert/devuser
$ vim devuser-csr.json

{ 
  "CN": "devuser", 
  "hosts": [], #可以你使用的主机，不写表示所有主机
  "key": { 
    "algo": "rsa", 
    "size": 2048 },
  "names": [ 
    { 
      "C": "CN", 
      "ST": "BeiJing", 
      "L": "BeiJing", 
      "O": "k8s", 
      "OU": "System" 
     } 
  ] 
}

通过工具创建，下载下面工具

# 下载证书生成工具 
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64 
mv cfssl_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl 
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd64 
mv cfssljson_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssljson
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl-certinfo_linux-amd64 
mv cfssl-certinfo_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl-certinfo 
chmod a+x /usr/local/bin/*

通过工具创建证书信息

$ cd /etc/kubernetes/pki/
 
$ cfssl gencert -ca=ca.crt -ca-key=ca.key 
-profile=kubernetes /usr/local/install-k8s/cert/devuser/devuser-csr.json | cfssljson -bare devuser   #devuser就为生成的证书文件名

查看创建后证书文件

至此证书请求和证书私钥就创建完成了。

 为当前集群设置信息

$ cd /usr/local/install-k8s/cert/devuser
# 设置集群参数 
export KUBE_APISERVER="https://192.168.66.10:6443"  #环境变量

kubectl config set-cluster kubernetes   #设置集群，集群名:kubernetes
--certificate-authority=/etc/kubernetes/pki/ca.crt    #指定ca证书
--embed-certs=true  
--server=${KUBE_APISERVER}  
--kubeconfig=devuser.kubeconfig

打开devuser.kubeconfig文件看一下，devuser.kubeconfig 这个文件里面就会记录当前集群信息

设置客户端认证参数

kubectl config set-credentials devuser  
--client-certificate=/etc/kubernetes/pki/devuser.pem  #证书
--client-key=/etc/kubernetes/pki/devuser-key.pem   #私钥
--embed-certs=true   #开启证书认证
--kubeconfig=devuser.kubeconfig   #写入文件

然后可看到devuser.kubeconfig这个文件会多一些客户端认证信息

设置上下文参数 （作用：绑定至某一个名称空间，前提是创建了这个名称空间）

kubectl config set-context kubernetes  
--cluster=kubernetes   #集群名称
--user=devuser  
--namespace=dev  
--kubeconfig=devuser.kubeconfig
然后就又绑定了一个信息在这个文件中

以上操作就得到了一个完整的kubeconfig配置文件

此时查看改文件：

# 设置默认上下文

kubectl create rolebinding devuser-admin-binding --clusterrole=admin --user=devuser --namespace=dev  
#默认有的clusterrole为admin，拥有集群的绝对权限(管理员权限)。如果把这个角色绑定给devuser后，说明devuser可以在dev这个名称空间下为所欲为！

mkdir /home/devuser/.kube

#复制kubeconfig文件并改为默认名称
cp -f ./devuser.kubeconfig /home/devuser/.kube/config

chown  devuser.devuser /home/devuser/.kube/config

#通过该配置文件切换上下文(让kubectl读取到配置信息)
kubectl config use-context kubernetes --kubeconfig=/home/devuser/.kube/config

此时就可以使用了

 查看当前名称空间（该用户会进入其默认的名称空间创建）

 查看其他名称空间(没有权限)

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,Mutat 
ingAdmissionWebhook,ValidatingAdmissionWebhook,ResourceQuota

列举几个插件的功能：

　　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。

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

　　ServiceAccount： 实现了自动化添加 ServiceAccount。

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