K8S 安全机制

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，需要满足三个要求：

1. 认证（Authentication）
2. 鉴权（Authorization）
3. 准入控制（Admission Control）

接下来我们将深入探讨这三个方面

1 认证（Authentication）

认证分为以下几种：

• HTTP Token 认证：即通过一个 Token 来识别合法用户。
  HTTP Token 的认证是用一个很长的，难以被模仿的并且使用特殊编码方式的 Token 字符串来表达客户的一种方式。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 里放入自己的 Token。
• HTTP Base 认证：即通过用户名+密码的方式认证。
  用户名和密码用 BASE64 算法进行编码后，以字符串的形式存放在 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。

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，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。

1.1 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 API Server 的访问：Pod（coredns,dashborad 也是以 Pod 形式运行）

1.2 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，所以端口号使用 6443

1.3 证书颁发方式

• 手动签发：使用二进制部署时，需要先手动向 CA 进行 HTTPS 证书的签发
• 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， 之后的访问都是用证书做认证

1.4 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。包含了集群的访问方式和认证信息。
kubectl 文件默认位于 ~/.kube/config

1.5 Service Account

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，所以要为每一个 Pod 手动生成证书是不可行的。Kubenetes 使用 Service Account 来循环认证，从而解决了 Pod 访问 API Server 的频繁认证问题。
SA 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，进行 Server 端认证
• ca.crt：ca 根证书，API Server 发送来的证书，用于进行 Client 端验证
• namespace：标识这个 service-account-token 的作用域命名空间
  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）。

1.5.1 SA 相关命令

查看当前命名空间的 sa
kubectl get sa

每个没有指定的 Pod 启动后都会挂载该 ServiceAccount 的 Token、ca.crt、namespace 到 /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/
可以进入容器查看是否有这三个文件
kubectl exec -it kube-proxy-prdjp -n kube-system sh
ls /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/

这三个文件可以查看
比如查看命名空间
cat /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/namespace

（kube-proxy-prdjp 这个 Pod 的命名空间就是 kube-system）

1.6 Secret 与 SA 的关系

Secret 是 Kubernetes 设计的一种资源对象，一般分为两类：

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

2 鉴权（Authorization）

之前的认证（Authentication）过程，只是确定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：

• AlwaysDeny：拒绝所有的请求，一般用于测试
• AlwaysAllow：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。
• Webhook：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 进行鉴权
• RBAC（Role-Based Access Control）：基于角色的访问控制，K8S 自 1.6 版本起默认使用这个规则

（通过 API Server 的启动参数 “–authorization-mode” 可以设置授权策略）
本文主要讲 RBAC 的授权策略

2.1 RBAC 的优势

• 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
• 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
• 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。
这 4 个资源对象可以分为角色（Role，ClusterRole）和角色绑定（RoleBinding，ClusterRoleBinding）

2.2.1 角色

• Role：授权指定命名空间的资源控制权限
• ClusterRole：可以授权所有命名空间的资源控制权限

2.2.2 角色绑定

• RoleBinding：将Role绑定到主体（即subject）
• ClusterRoleBinding：将ClusterRole绑定到主体

注：如果使用 RoleBinding 绑定 ClusterRole，仍会受到命名空间的影响；如果使用 ClusterRoleBinding 绑定 ClusterRole， 将会作用于整个 K8S 集群（下面例子有具体分析）。

2.2.3 主体（subject）

• User：用户
• Group：用户组
• ServiceAccount：服务账号

User 使用字符串表示，其中 system 的前缀由系统保留的，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）的资源对象，就可以完成权限绑定了。

2.2.4 Role and ClusterRole 示例

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
vim test-role.yaml

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
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#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
vim test-clusterrole.yaml

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"]
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2.2.5 RoleBinding and ClusterRoleBinding 示例

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
vim test-rolebinding1.yaml

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
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#以上配置的意义是将 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。

注：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。相当于定义一个通用模板，然后各个命名空间按需使用。
可以看下面这个示例

RoleBinding 示例2
vim test-rolebinding2.yaml

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
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#以上配置 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
示例如下

ClusterRoleBinding 示例
vim test-clusterrolebinding.yaml

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
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#以上配置是 ClusterRoleBinding 授权 manager 组内所有用户在全部命名空间中对 secrets 进行访问。

2.2.6 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。
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"]
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补充：

• rules.verbs 可选：“get”, “list”, “watch”, “create”, “update”, “patch”, “delete”, “exec”
• rules.resources 可选：“services”, “endpoints”, “pods”, “secrets”, “configmaps”, “crontabs”, “deployments”, “jobs”, “nodes”, “rolebindings”, “clusterroles”, “daemonsets”, “replicasets”, “statefulsets”, “horizontalpodautoscalers”, “replicationcontrollers”, “cronjobs”
• rules.apiGroups 可选：“”,“apps”, “autoscaling”, “batch”

3 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

3.1 常见插件功能

• 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。

4 实践

要求：创建一个用户只能管理指定的命名空间

1.创建一个用户
useradd zhangsan
passwd zhangsan

2.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

验证完记得切回 root 用户
exit

3.创建用于用户连接到 API Server 所需的证书和 kubeconfig 文件
(需要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 <

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=dzd \
  --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 dzd
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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
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apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-test
spec:
  containers:
    - name: nginx
      image: nginx
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