Kubernetes之安全

Posted on 2021-10-23 Edited on 2024-07-22 In 运维 , Kubernetes Views: Word count in article: 13k Reading time ≈ 12 mins.

1、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。

2、认证

2.1 认证方式

①HTTP Token认证：通过一个Token来识别合法用户。
- HTTP Token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。
②HTTP 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HeatherAuthorization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。
③HTTPS证书认证：基于CA根证书签名的客户端身份认证方式。

2.2 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 。
- Kubenetes 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。

2.3 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 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。

2.4 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。

2.5 Secret与SA的关系

K8S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：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：service-account-token的作用域名空间。

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/。

[root@master ~]# kubectl get pod -n kube-system
NAME                             READY   STATUS    RESTARTS   AGE
coredns-5c98db65d4-57sg8         1/1     Running   17         16d
coredns-5c98db65d4-77rjv         1/1     Running   17         16d
etcd-master                      1/1     Running   18         16d
kube-apiserver-master            1/1     Running   17         16d
kube-controller-manager-master   1/1     Running   17         16d
kube-flannel-ds-amd64-8sn89      1/1     Running   17         16d
kube-flannel-ds-amd64-fr9dj      1/1     Running   18         16d
kube-flannel-ds-amd64-g449l      1/1     Running   1          17h
kube-proxy-q7grf                 1/1     Running   17         16d
kube-proxy-wk2pj                 1/1     Running   17         16d
kube-proxy-zs5q2                 1/1     Running   17         16d
kube-scheduler-master            1/1     Running   17         16d
[root@master ~]# kubectl exec kube-proxy-q7grf -n kube-system -it -- /bin/sh 
# cd /run/secrets/kubernetes.io
# ls
serviceaccount
# cd serviceaccount
# ls
ca.crt  namespace  token
# cat token
eyJhbGciOiJSUzI1NiIsImtpZCI6IiJ9.eyJpc3MiOiJrdWJlcm5ldGVzL3NlcnZpY2VhY2NvdW50Iiwia3ViZXJuZXRlcy5pby9zZXJ2aWNlYWNjb3VudC9uYW1lc3BhY2UiOiJrdWJlLXN5c3RlbSIsImt1YmVybmV0ZXMuaW8vc2VydmljZWFjY291bnQvc2VjcmV0Lm5hbWUiOiJrdWJlLXByb3h5LXRva2VuLWJ4enpxIiwia3ViZXJuZXRlcy5pby9zZXJ2aWNlYWNjb3VudC9zZXJ2aWNlLWFjY291bnQubmFtZSI6Imt1YmUtcHJveHkiLCJrdWJlcm5ldGVzLmlvL3NlcnZpY2VhY2NvdW50L3NlcnZpY2UtYWNjb3VudC51aWQiOiIyNmU0Yjk3ZC1hODY5LTQ1MDAtODNlMC1jNjMyYTZlYzllN2YiLCJzdWIiOiJzeXN0ZW06c2VydmljZWFjY291bnQ6a3ViZS1zeXN0ZW06a3ViZS1wcm94eSJ9.TAGG-YkPTFMKsuyFj033uFDKd4cEzOCkOXvSY0c7t3LPeFqrEoLGLQgVlzixwIWxc59OEkOM1r7jkeuwK5_rosYXdn-p3GMUOU7B2M7TGfkuElU4WW4iCzeu0AzMuDuj8_2knm_0fJqLuy_SWu_X901s7yqVWk8QvBvqOoPQr6zhJ7YW_v65JwibhTYKn0p_rk91uwSN19Pa4oINqMycL4S19TpWMfc_f2ZkYMZJjaJbq1Fc1b5Y5-4E0l3Ou12OiOeoLKOSa9b4BLm0-v6KRMvbmN4KWjjfE0hbG_b_6Z6WQ-w7l6H7ikmVaYdTeMy6cxlUmHFyvyzbT4WN-GFHEQ#

3、鉴权

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。
- 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。
- 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。

3.1 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。
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(用户、组在这里面定义)：

{
  "CN": "admin",//用户
  "hosts": [],
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
	  "ST": "HangZhou",
	  "L": "XS",
      "O": "system:masters",//组
	  "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 authenticationfile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。

3.2 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。

# 如果把下面的Role赋予某个用户，则该用户拥有了在default名称空间下对pod进行get、watch和list的权限
kind: Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata: 
  namespace: default
  name: pod-reader
rules: 
 - apiGroups: [""]#"" indicates the core API group
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "watch", "list"]

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)。

# 如果把下面的Role赋予某个用户，则该用户拥有了在所有名称空间下对pod进行get、watch和list的权限
kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
  name: secret-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["secrets"]
  verbs: ["get","watch","list"]

3.3 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、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只能访问development空间中的secrets(因为RoleBinding定义在development命名空间）。

kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
metadata:
  name: read-secrets
  namespace: development
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：

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

3.4 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：
1
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"]  # 只能查看pods/log的信息
  verbs: ["get","list"]

3.5 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“zhu1999@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。

4、创建用户和授权案例

创建一个用户只能管理dev空间。

# 创建用户
[root@master ~]# useradd devuser
[root@master ~]# passwd devuser
更改用户 devuser 的密码 。
新的 密码：
重新输入新的 密码：
passwd：所有的身份验证令牌已经成功更新。
# 创建命名空间
[root@master ~]# kubectl create namespace dev
namespace/dev created
[root@master ~]# mkdir devuser
[root@master ~]# cd devuser
# 创建证书请求文件，即指定用户
[root@master devuser]# vim devuser-csr.json
[root@master devuser]# cat devuser-csr.json 
{
        "CN": "devuser",
        "hosts": [],
        "key": {
                "algo": "rsa",
                "size": 2048
        },
        "names": [{
                "C": "CN",
                "ST": "BeiJing",
                "L": "BeiJing",
                "O": "k8s",
                "OU": "System"
        }]
}
# 上传证书生成工具至/usr/local/bin
[root@master devuser]# wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64
[root@master devuser]# mv cfssl_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl
[root@master devuser]# wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd64
[root@master devuser]# mv cfssljson_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssljson
[root@master devuser]# wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd6
[root@master devuser]# mv cfssl-certinfo_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl-certinfo
[root@master devuser]# cd /usr/local/bin
[root@master bin]# ls
cfssl  cfssl-certinfo  cfssljson
[root@master bin]# chmod a+x *
[root@master bin]# cd /etc/kubernetes/pki
[root@master pki]# ls
apiserver.crt              apiserver-etcd-client.key  apiserver-kubelet-client.crt  ca.crt  etcd                front-proxy-ca.key      front-proxy-client.key  sa.pub
apiserver-etcd-client.crt  apiserver.key              apiserver-kubelet-client.key  ca.key  front-proxy-ca.crt  front-proxy-client.crt  sa.key
# 生成证书等文件
[root@master pki]# cfssl gencert -ca=ca.crt -ca-key=ca.key -profile=kubernetes /root/devuser/devuser-csr.json | cfssljson -bare devuser
2021/10/22 22:06:18 [INFO] generate received request
2021/10/22 22:06:18 [INFO] received CSR
2021/10/22 22:06:18 [INFO] generating key: rsa-2048
2021/10/22 22:06:19 [INFO] encoded CSR
2021/10/22 22:06:19 [INFO] signed certificate with serial number 147196357026519440011290519126645213266579421508
2021/10/22 22:06:19 [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@master pki]# ls
apiserver.crt              apiserver-etcd-client.key  apiserver-kubelet-client.crt  ca.crt  devuser.csr      devuser.pem  front-proxy-ca.crt  front-proxy-client.crt  sa.key
apiserver-etcd-client.crt  apiserver.key              apiserver-kubelet-client.key  ca.key  devuser-key.pem  etcd         front-proxy-ca.key  front-proxy-client.key  sa.pub
[root@master pki]# cd ~/devuser
# 设置集群参数
[root@master devuser]# export KUBE_APISERVER="https://192.168.200.20:6443"
[root@master devuser]# kubectl config set-cluster kubernetes --certificate-authority=/etc/kubernetes/pki/ca.crt --embed-certs=true --server=${KUBE_APISERVER} --kubeconfig=devuser.kubeconfig
Cluster "kubernetes" set.
[root@master devuser]# ls
devuser-csr.json  devuser.kubeconfig
# 设置客户端认证参数
[root@master devuser]# kubectl config set-credentials devuser --client-certificate=/etc/kubernetes/pki/devuser.pem --client-key=/etc/kubernetes/pki/devuser-key.pem --embed-certs=true --kubeconfig=devuser.kubeconfig
User "devuser" set.
# 设置上下文参数
[root@master devuser]# kubectl config set-context kubernetes \
> --cluster=kubernetes \
> --user=devuser \
> --namespace=dev \
> --kubeconfig=devuser.kubeconfig
Context "kubernetes" created.
# 赋予admin管理员角色给用户
[root@master devuser]# kubectl create rolebinding devuser-admin-binding --clusterrole=admin --user=devuser --namespace=dev
rolebinding.rbac.authorization.k8s.io/devuser-admin-binding created
# 复制文件至用户devuser下并修改权限
[root@master devuser]# cp devuser.kubeconfig /home/devuser/.kube/
[root@master devuser]# chown devuser:devuser /home/devuser/.kube/devuser.kubeconfig
[root@master devuser]# cd /home/devuser/.kube/
[root@master .kube]# cp devuser.kubeconfig config
# 设置默认上下文
[root@master .kube]# kubectl config use-context kubernetes --kubeconfig=config
Switched to context "kubernetes".
# 在dev用户下创建pod
[root@master .kube]$ kubectl run nginx --image=nginx:v1
deployment.apps/nginx created
[root@master .kube]$ kubectl get pod
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-5ff5b4756-kgr6t    1/1     Running   0          105s
# 在root用户下能看到所有的节点信息
[root@master .kube]# kubectl get pod --all-namespaces -o wide |grep nginx
default         nginx-5ff5b4756-kgr6t                       1/1     Running   0          2m48s   10.244.2.72      node2    <none>           <none>
# dev该用户只能访问dev命名空间下的资源
[devuser@master ~]$ kubectl get pod
NAME                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-5ff5b4756-5x5s8   1/1     Running   0          5s
[devuser@master ~]$ kubectl get pod -n dev
NAME                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-5ff5b4756-5x5s8   1/1     Running   0          9s
[devuser@master .kube]$ kubectl get pod -n default
Error from server (Forbidden): pods is forbidden: User "devuser" cannot list resource "pods" in API group "" in the namespace "default"

5、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：

1	NamespaceLifecycle,LimitRanger,ServiceAccount,DefaultStorageClass,DefaultTolerationSeconds,MutatingAdmissionWebhook,ValidatingAdmissionWebhook,ResourceQuot

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。