Kubernetes——安全机制

Posted 2022-04-13 封玖FJ

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（Admission Control）三步来保证API Server的安全。

安全框架的流程

流程：kubectl先请求api资源，然后是过三关，第一关是认证（Authentication），第二关是授权（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。

K8S安全控制框架主要由下面3个阶段进行控制，每一个阶段都支持插件方式，通过API Server配置来启用插件。

普通用户若要安全访问集群API Server，往往需要证书、Token或者用户名+密码；Pod访问，需要ServiceAccount

认证（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

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HTs 证书认证方式则可以实现双向认证。

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)

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 8030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

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

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-prory)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 lkubeconfig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。xubectl文件默认位于 ~/ .kube/config

service Account

service account是为了方便Pod 中的容器访问APIServer。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。

Secret 与SA的关系

Kubernetes 设计了一种资源对象叫做secret，分为两类:

1) 用于保存serviceAccount的service-account-token

2) 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)。

kubectl get sa

//每个 Pod 启动后都会挂载该 ServiceAccount 的 Token、ca.crt、namespace 到 /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/

kubectl get pod -n kube-system

kubectl exec -it kube-proxy-prdjp -n kube-system sh
# ls /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/
ca.crt  namespace  token

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)

• 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。
• Webbook: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优势:

1. 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
2. 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
3. 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 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ptubectl 与 APi Server 操作。

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

角色

1. Role : 授权指定命名空间的资源控制权限
2. 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clusterRodle2Binding 绑定ClusterRole，将会作用于整个 K8S集群。

角色绑定

1. RoleBinding: 将角色绑定到主体(即subject)
2. 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。

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。

Role示例：

#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   #使用默认命名空间
  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 命名空间中具有对 Pod 资源对象 进行 get（获取）、watch（监听）、list（列出）这三个操作权限。

ClusterRole 示例

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

//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

RoleBinding 示例1

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

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。

RoleBinding 示例2

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

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。

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"

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

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。

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

实践：创建一个用户只能管理指定的命名空间

//创建一个用户
useradd zhangsan
passwd zhangsan

//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
su - zhangsan

kubectl get pods
The connection to the server localhost:8080 was refused - did you specify the right host or port?

//创建用于用户连接到 API Server 所需的证书和 kubeconfig 文件
//先上传证书生成工具 cfssl、cfssljson、cfssl-certinfo 到 /usr/local/bin 目录中
chmod +x /usr/local/bin/cfssl*

mkdir /opt/zhangsan
cd /opt/zhangsan

vim user-cert.sh
#######################
cat > zhangsan-csr.json <<EOF

  "CN": "zhangsan",
  "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/zhangsan/zhangsan-csr.json | cfssljson -bare zhangsan 
###############################

chmod +x user-cert.sh
./user-cert.sh
#/etc/kubernetes/pki/ 目录中会生成 zhangsan-key.pem、zhangsan.pem、zhangsan.csr

cd /opt/zhangsan

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=zhangsan.kubeconfig

# 设置客户端认证参数
kubectl config set-credentials zhangsan \\
  --client-key=/etc/kubernetes/pki/zhangsan-key.pem \\
  --client-certificate=/etc/kubernetes/pki/zhangsan.pem \\
  --embed-certs=true \\
  --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

# 设置上下文参数
kubectl config set-context kubernetes \\
  --cluster=kubernetes \\
  --user=zhangsan \\
  --namespace=kgc \\
  --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

# 使用上下文参数生成 zhangsan.kubeconfig 文件
kubectl config use-context kubernetes --kubeconfig=zhangsan.kubeconfig

kubectl create namespace kgc
chmod +x rbac-kubeconfig.sh
./rbac-kubeconfig.sh 192.168.80.10

//查看证书
cat zhangsan-kubeconfig

mkdir /home/zhangsan/.kube
cp zhangsan.kubeconfig /home/zhangsan/.kube/config
chown -R zhangsan:zhangsan /home/zhangsan/.kube/

//RBAC授权
vim rbac.yaml
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: kgc
  name: pod-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "watch", "list", "create"]

---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
  namespace: kgc
subjects:
- kind: User
  name: zhangsan
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

kubectl apply -f rbac.yaml

kubectl get role,rolebinding -n kgc
NAME                                        AGE
role.rbac.authorization.k8s.io/pod-reader   32s

NAME                                              AGE
rolebinding.rbac.authorization.k8s.io/read-pods   32s

//切换用户，测试操作权限
su - zhangsan

vim pod-test.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-test
spec:
  containers:
    - name: nginx
      image: nginx

kubectl create -f pod-test.yaml

kubectl get pods -o wide
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE    IP           NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-test   1/1     Running   0          114s   10.244.2.2   node02   <none>           <none>

//访问 svc 资源就会被拒绝
kubectl get svc
Error from server (Forbidden): services is forbidden: User "zhangsan" cannot list resource "services" in API group "" in the namespace "kgc"

//也无法访问 default 命名空间
kubectl get pods -n default
Error from server (Forbidden): pods is forbidden: User "zhangsan" cannot list resource "pods" in API group "" in the namespace "default"

//使用 root 用户查看
kubectl get pods --all-namespaces -o wide
NAMESPACE     NAME        READY   STATUS    RESTARTS   AGE    IP              NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
kgc           pod-test    1/1     Running   0          107s   10.244.2.2      node02   <none>           <none>
......
#由此可以看出 RoleBinding 的用户只能管理指定的命名空间中的资源

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