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Kubernetes的安全机制

来源：互联网 收集：自由互联 发布时间：2022-06-20
K8S的安全机制 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Kuberne

K8S的安全机制

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），只存通过这三关才可能会被K8s创建资源。

Authentication（认证）：确认使用者是否能接入K8SAuthorization（鉴权）：确认使用者是否对指定资源有操作权限Admission Control（准入控制）：准入控制，通过准入控制器插件对相关资源操作进行一些标准化的检查

认证（Authentication）

K8S认证.png

  • 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。

token认证 kubelet首次连接apiserver token认证 dashboard登录时 kubedam添加节点node master docker私有仓库插件dockerconfigjson类型secret资源时
  • 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。
使用证书访问的工作流程：

具体请查看文档：https://blog.51cto.com/u_15382481/5105844

（1）客户端发起HTTPS请求，连接到服务器的443端口。 （2）服务器必须要先申请好一套数字证书（证书内容有公钥、证书颁发机构、失效日期等）。 （3）服务器将自己的数字证书发送给客户端（公钥在证书里面，私钥由服务器持有）。 （4）客户端收到数字证书之后，会先验证证书的合法性。如果证书验证通过，就会使用伪随机数生成器（/dev/random）随机生成一个【对称密钥】，使用证书的公钥加密这个【对称密钥】。 （5）客户端将公钥加密后的【对称密钥】发送到服务器。 （6）服务器接收到客户端发来的密文密钥之后，用自己之前保留的私钥对其进行非对称解密，解密之后就得到客户端的【对称密钥】，然后用客户端的【对称密钥】对返回数据进行加密，这样传输的数据都是密文了。 （7）服务器将加密后的密文数据返回到客户端。 （8）客户端收到后，用自己的【对称密钥】对其进行对称解密，得到服务器返回的数据。

ca2.png

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）。 Kubernetes组件（如kubelet、kaube-proxp）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。文件默认位于~/.kube/config

（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。

（6）secret与SA的关系

Kubernetes设计了一种资源对象叫做Secret，分为两类：

  • 用于保存ServiceAccount的service-account-token

  • 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 Acount，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、

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投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 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。已被RBAC所代替。
  • 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版本起默认使用规则

RBAC相对其它访问控制方式，拥有以下优势：

  • 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

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

角色

Role：授权指定命名空间的资源控制权限，仅在单个namespace有效ClusterRole：可以授权所有命名空间的资源控制权限，在所有namespace有效

  • 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。
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

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级格式；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。

K8S角色.png

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：

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赋子给一个用户，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。

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

  • RoleBinding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Clusterole，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

Kubnernetes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 kubectl logs nginx-pod -n kube-public GET /api/v1/namespaces/{namespace}/pods/nginx-pod/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 nane: 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。一股建议直接采用官方歇认的准入控制器。

官方准入控制器推荐列表（不同版本各有不同）：

NanespaceLifecycle,LimitRanger,ServiceAocount,DefaultStorageClass,DefanltTolerationSeconds,MutatingedmissionmMechook,ValidatingAomissionWebhook,ResourceQuota,NodeRestriction

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。

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

示例：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

总结

认证

token认证

base认证（账号:密码）https证书认证，可以实现双向认证

K8S认证

组件（kubectl，scheduler，controller manager，kubelet，kube-proxy）与apiservice通信https证书认证，6443端口这些组件是通过kubeconfig文件配置指定知道使用什么证书连接哪个K8S集群的apiserver的

pod形式运行的组件（flannel，dashboard，coreDNS）与apiserver腾讯token认证，service account作为pod的用户访问apiserver每个pod都有一个service account用户，如果没有事先指定，则默认使用当前namespace下的default做它的用户

鉴权

AlwaysDeny AlwaysAllow ABAC Webhook RBAC（默认） 角色 Role 仅在指定的某个命名空间中有效 ClusterRole 默认都可以在K8S所有命名空间中有效 都可以实现定义角色赋予权限（list，get，create，delete，watch……） 把主体（user，group，serviceaccount）和角色进行绑定，使主体拥有相对应的权限 RoleBinding和同一命名空间的Role绑定，可以使主体在这个命名空间中具有相应权限； 和ClusterRole绑定，以使主体在RoleBinding所在的命名空间中具有相应的权限 ClusterRoleBinding和ClusterRole绑定可以使主体在K8S所有命名空间中具有相应的权限

RBAC

先创建Role ClusterRole定义角色赋予权限 定义资源类型和对这个资源的操作权限 再创建RoleBinding ClusterRoleBinding 把主体和角色进行绑定

准入控制器

Pod给每个容器设置资源上限resource.requests，limits

  • LimitRanger：如果Pod没有设置requests，limits，则会使用当前命名空间的最大资源
    • default resource.requests.memory 512Mi resources.request.cpu 0.5
  • RecourceQuota：限制在当前命名空间中能够创建的资源数量，例：pod 20 service 10 …
    • requests.memory 2Gi requests.cpu 2 limits.memory 4Gi limits.cpu 4
如果想让一个普通用户具有接入K8S并有相关资源的操作权限
  • 首先做证书认证，使用CA证书和私钥创建证书，使用证书生成相对应的kubeconfig配置文件，把kubeconfig导入到用户的家目录中./kube/config文件
  • 第二步做RBAC授权，先创建Role赋予资源操作的权限，在创建RoleBinding，把用户和角色绑定此后用户就具有在相关的命令空间中对指定资源的操作权限了
    • 用户要想在K8S进行资源操作，需要通过，认证、鉴权和准入控制三大关

    K8S安全.png

    • 认证：组件是通过证书和kubeconfig，https 6443端口连接apiserver，pod通过serviceaccount的token访问apiserver
    • 鉴权：RBAC，先创建Role|ClusterRole创建角色赋予给资源操作的权限，RoleBinding|ClusterRoleBinding把用户和角色绑定
    • 准入控制：使用准入控制器插件对资源请求做检查
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