k8s之安全机制

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。
• 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。

一、认证（Authentication）

• HTTP Token 认证：通过一个 Token 来识别合法用户，通常是单向认证
  • 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，通常是单向认证
  • 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。可以实现双向认证

注意：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、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 对容器的访问：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。
• kubeconfig默认路径：~/.kube/config，其中~表示当前用户的主目录

5、Service Account

• Service Account由 Kubernetes 自动创建，用来访问 APIServer 的 Secret，所有 Pod 会默认使用这个 Secret 与 APIServer 通信。
• 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。

6、Secret 与 SA 的关系

6.1 Kubernetes 设计了一种资源对象叫做 Secret，分为两类

• 用于 ServiceAccount 的 service-account-token
• 用于保存用户自定义保密信息的 Opaque

6.2 Service Account 中包含三个部分

• Token：是使用 API Server 私钥签名的 Token 字符串（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

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）。

二、鉴权（Authorization）

• 之前的认证（Authentication）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、鉴权访问的类型

• 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（缺点是：是一对一的关系、并且会重启资源）
• Webbook：通过调用外部 REST 服务对用户进行授权，即在集群外部对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

2、关于RBAC（Role-Based Access Control）

2.1 RBAC 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，而 ABAC 则需要重启 API Server

2.2 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。

https://kubernetes.io/docs/reference/access-authn-authz/rbac/
#官方文档

3、角色

• Role：授权指定命名空间的资源控制权限，（一对一，单独的命名空间）；

• ClusterRole：可以授权所有命名空间的资源控制权限；

• Role是命名空间级别的，仅对特定命名空间中的资源有效；而ClusterRole是集群级别的，对整个Kubernetes集群都有效。

• 根据需要管理和控制的资源范围，可以选择使用Role或ClusterRole。如果只需要在特定命名空间中定义权限，可以使用Role；如果需要为整个集群定义权限，或者需要跨命名空间定义权限，应该使用ClusterRole。

3.1 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

• RoleBinding是命名空间级别的，仅对特定命名空间中的资源有效；而ClusterRoleBinding是集群级别的，对整个Kubernetes集群都有效。

• 根据需要管理和控制的资源范围，可以选择使用RoleBinding或ClusterRoleBinding。如果只需要在特定命名空间中定义权限，可以使用RoleBinding；如果需要为整个集群定义权限，或者需要跨命名空间定义权限，应该使用ClusterRoleBinding。

3.2 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。

4、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。
• 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。

4.1 Role 示例

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
  #使用默认命令空间
  name: pod-reader
  #Role 的名称
rules:
#定义规则
- apiGroups: [""]
#""表示 apiGroups 和 apiVersion 使用相同的 core API 组，即 rbac.authorization.k8s.io
  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 命令空间中具有对 Pod 资源对象 进行 get（获取）、watch（监听）、list（列出）这三个操作权限。

4.2 ClusterRole 示例

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
#这里使用的是 rbac.authorization.k8s.io/v1，这是 RBAC API 的稳定版本。
kind: ClusterRole
#ClusterRole资源类型
metadata:
  # "namespace" 被忽略，因为 ClusterRoles 不受名字空间限制
  name: secret-reader
rules:
#定义了角色的权限规则。
- apiGroups: [""]
#指定了 API 组，"" 表示核心 API 组
  resources: ["secrets"]
  #资源对象为 Secret 类型
  verbs: ["get", "watch", "list"]
  #指定允许的操作

5、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。

5.1 RoleBinding 示例1

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
#这里使用的是 rbac.authorization.k8s.io/v1，这是 RBAC API 的稳定版本。
kind: RoleBinding
#ClusterRole资源类型
metadata:
  name: read-pods
  namespace: default
subjects:
- kind: User
  name: zhangsan
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  #组类信息
  roleRef:
  kind: Role
  #类型
  name: pod-reader
  #名称
  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。

5.2 RoleBinding 示例2

• RoleBinding 同样可以引用 ClusterRole 来对当前 namespace 内 User、Group 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。

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）。

#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

5.2 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。

6、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

#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"

三、准入控制（Admission Control）

• 相当于k8s的安全机制

• 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。

1、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

2、列举几个插件的功能

• NamespaceLifecycle：用于命令空间回收，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。

https://kubernetes.io/zh/docs/reference/access-authn-authz/admission-controllers/
#官方文档参考

四、创建一个用户只能管理指定的命令空间

1、创建一个用户

useradd liu
#新建用户

passwd liu
#修改密码

2、使用新建用户验证登录

su - liu
#切换用户

kubectl get pod
#查看资源信息
#使用这个用户进行资源操作，会发现连接 API Server 时被拒绝访问请求

3、准备需要的证书

mkdir /opt/liu
#新建目录

cd /opt/liu/
#切换目录

#上传需要的cfssl证书工具

chmod +x *
#添加执行权限

mv ./* /usr/local/bin/
#移动需要的证书到/usr/local/bin/目录
#先上传证书生成工具 cfssl、cfssljson、cfssl-certinfo 到 /usr/local/bin 目录中

---------------------------------------------------------------------------------------------------------
#编辑创建用于用户连接到 API Server 所需的证书
vim user-cert.sh
cat > liu-csr.json <<EOF
{
  "CN": "liu",
  "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/liu/liu-csr.json | cfssljson -bare liu
#使用 cfssl 工具生成 TLS 证书和私钥
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

chmod +x user-cert.sh
#添加执行权限

./user-cert.sh
#执行
#/etc/kubernetes/pki/ 目录中会生成 liu-key.pem、liu.pem、liu.csr

4、编辑创建用于用户连接到 API Server 所需的 kubeconfig 文件

cd /opt/liu
#切换目录

-------------------------------------------------------------------------------------------------------
#编辑需要的kubeconfig文件
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=liu.kubeconfig
# 设置客户端认证参数
kubectl config set-credentials liu \
  --client-key=/etc/kubernetes/pki/liu-key.pem \
  --client-certificate=/etc/kubernetes/pki/liu.pem \
  --embed-certs=true \
  --kubeconfig=liu.kubeconfig
# 设置上下文参数
kubectl config set-context kubernetes \
  --cluster=kubernetes \
  --user=liu \
  --namespace=xxxx \
  --kubeconfig=liu.kubeconfig
# 使用上下文参数生成 liu.kubeconfig 文件
kubectl config use-context kubernetes --kubeconfig=liu.kubeconfig
-------------------------------------------------------------------------------------------------------

kubectl create namespace xxxx
#创建命名空间

chmod +x rbac-kubeconfig.sh
#添加权限

./rbac-kubeconfig.sh 192.168.10.11
#执行

5、准备config配置文件

cat liu-kubeconfig
#查看证书

mkdir /home/liu/.kube
#新建目录

cp liu.kubeconfig /home/liu/.kube/config
#复制配置文件到指定目录

chown -R liu:liu /home/liu/.kube/
#修改属主属组

6、RBAC授权

#编辑yaml配置文件，RBAC授权
vim rbac.yaml
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: xxxx
  name: pod-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get","watch","list","create","delete"]
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
  namespace: xxxx
subjects:
- kind: User
  name: liu
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

kubectl apply -f rbac.yaml
#创建资源

kubectl get role,rolebinding -n xxxx
#查看资源信息

7、验证测试

su - liuyanfen
#切换用户，测试操作权限

#编辑创建pod资源清单
vim pod-test.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-test
spec:
  containers:
    - name: nginx
      image: nginx

kubectl create -f pod-test.yaml
#创建资源

kubectl get pod -o wide
#创建pod资源详细信息

kubectl get svc
#查看svc资源信息，访问 svc 资源就会被拒绝

kubectl get pods -n default
#也无法访问 default 命名空间

kubectl get pods --all-namespaces -owide
#使用 root 用户查看
#由此可以看出 RoleBinding 的用户只能管理指定的命令空间中的资源

kubectl create rolebinding liu-admin-binding --clusterrole=admin --user=liu --namespace=xxxx
#也可以通过绑定 admin 角色，来获得管理员权限

总结

K8S安全机制

• 认证，鉴权，准入控制

认证

• Token认证：使用很长很复杂Token字符串做认证，通常是单向认证
• Basic认证：使用账号和密码的格式通过base64编码和解码认证，通常是单向认证
• https认证：使用通过CA机构签发的证书，进行https认证，可以实现双向认证

K8S认证（Kubectl、Kubelet、Controller-Manager、Scheduler等）与APIServer通信，是使用https证书认证，默认使用6443端口通信，使用Kubeconfig配置文件就知道使用了什么证书连接到哪个K8S集群的APIServer

Pod形式运行的组件（Dashboard、CoreDNS、外置存储存储插件（PROVISIONER））与APIServer通信，使用的是ServiceAccount作为Pod的服务账号来去访问APIServer，每个Pod都会有一个ServiceAccount服务账号，可以创建Pod资源的时候去指定ServiceAccount字段

鉴权

• AlwaysDeny、AlwaysAllow、ABAC、WebHook、RBAC（默认控制策略）

RBAC四个资源对象

角色Role、ClusterRole都可以是实现定义角色的赋予某些资源（Rules、Resource）的操作权限（Rules、Verbs）

• Role 受命名空间影响，只能在某一个命名空间中有效
• ClusterRole 默认可以在K8S当中所有命名空间有效，配置中不需要定义NameSpace

角色绑定 RoleBinding、ClusterRoleBinding 把账户主题绑定Subject（User、Group、ServiceAccount）和角色进行绑定，使主体和账户具有相关资源的操作权限

• RoleBinding：和同一个命名空间的Role去绑定的话，可以使主体账户在这个空间中具有相关资源的操作权限，和ClusterRole绑定，以主体账户在RoleBinding所在的命名空间中具有相关资源的操作权限
• ClusterRoleBinding： 和ClusterRole绑定，可以使主体账户在K8S所有的命名空间中具有资源的相关操作权限

创建RBAC鉴权

• 先创建Role ClusterRole 定义角色赋予某些资源的操作权限
• 再创建RoleBinding和ClusterRoleBinding 把主体和角色进行绑定

准入控制

• 添加准入控制插件，实现额外的准入控制规则对资源进行请求做检查

举例：

如果你想让一个Pod、Service、ConfigMap、Secret等普通用户，具有接入K8s集群相关资源的操作权限

• 创建Service Account或者用户

• 做认证 Token 证书认证

  • Service Account 会自动生成Service Account Token的Secret资源
    用户需要创建证书，把cfssl等工具通过CA证书和私钥文件生成证书和私钥，使用CA证书和私钥文件创建Kubeconfig配置文件，把Kubeconfig配置文件导入自动的家目录中，kube/config文件中

• 做RBAC鉴权 RoleClusterRole 创建角色赋予给资源的操作权限，RoleBinding|ClusterRoleBinding 把用户（主体）和角色进行绑定，此后Pod或者用户就具有相关的命名空间中对相关资源有了操作权限