【kubernetes】k8s安全机制

发布于:2024-08-16 ⋅ 阅读:(41) ⋅ 点赞:(0)

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。

1、认证(Authentication) 

●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。

●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。

#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 API Server 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。包含了集群的访问方式和认证信息。kubectl 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 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)。

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:(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。
●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
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 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 token(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。

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: [""]  #标明 core API 组
  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(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,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 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
 
kubectl get pods myapp-demo1 -n default
 
HTTP GET   https://<apiserver address>/api/v1/namespaces/default/pods/myapp-demo1/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"

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

//列举几个插件的功能:
●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,确保请求的资源量不会超过资源所在 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,确保请求的资源数量不会超过资源的 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/

//资源限制 - Pod
Kubernetes对资源的限制实际上是通过cgroup来控制的,cgroup是容器的一组用来控制内核如何运行进程的相关属性集合。针对内存、CPU 和各种设备都有对应的 cgroup。
默认情况下,Pod 运行没有 CPU 和内存的限额。这意味着系统中的任何 Pod 将能够像执行该 Pod 所在的节点一样, 消耗足够多的 CPU 和内存。一般会针对某些应用的 pod 资源进行资源限制,这个资源限制是通过 resources 的 requests 和 limits 来实现。requests 为创建 Pod 时初始要分配的资源,limits 为 Pod 最高请求的资源值。

总结:

客户端若想要发送请求给apiserver操作管理K8S资源对象,需要先通过三关安全验证:认证(Authentication)、鉴权(Authorization)、准入控制(Admission Control)

认证(Authentication):确认请求方是否有连接apiserver的权限

K8S支持的认证方式:

token认证(通过token令牌字符串来认证)     base认证(根据账户:密码的方式认证)     https认证(使用证书认证,支持双向认证)

认证过程:

K8S集群中以守护进程运行的组件(kubectl、kubelet、kube-proxy、controller-manager、scheduler)可使用cfssl工具手动签发证书或tls bootstrap机制自动签发客户端证书,再基于证书生成 kubeconfig集群引导配置文件,这些组件可根据kubeconfig配置中的集群参数(ca证书、apiserver地址)和客户端参数(客户端证书和私钥信息)连接指定的K8S集群的apiserver并做双向认证

K8S集群中以Pod形式运行的组件(dashboard、coreDNS、ingress控制器、外置存储卷插件等)使用serviceaccount账户作为Pod的服务账户(如有没有指定默认使用当前命名空间的default),K8S会自动创建相关的service-account-token类型的secret资源,创建Pod时会自动挂载这个secret卷到Pod容器的/var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount目录中,Pod与apiserver通信时会使用其中的ca证书和token与apiserver做认证


鉴权(Authorization):确认请求方具有对哪些资源对象的操作权限

推荐使用 RBAC(基于角色的访问控制)  kube-apiserver --authorization-mode=Node,RBAC

RBAC有关的4个资源对象: Role   ClusterRole   RoleBinding   ClusterRoleBinding

角色(Role、ClusterRole)定义角色能够对哪些资源对象拥有哪些操作权限

Role:受命名空间的影响,只能在指定的命名空间中操作资源
ClusterRole:默认可在K8S集群中所有的命名空间中操作资源,不需要配置namespace

角色绑定(RoleBinding、ClusterRoleBinding)将主体账户(User、Group、ServiceAccount)与角色进行绑定,使得主体账户具有角色相关的资源操作权限

1、ClusterRoleBinding:只能与ClusterRole绑定,使主体账户在所有的命名空间中具有ClusterRole相关的资源操作权限
2、RoleBinding:可以与相同命名空间下的Role绑定,使主体账户在指定的命名空间中具有Role相关的资源操作权限;也可以与ClusterRole绑定,使主体账户只能在RoleBinding指定的命名空间中具有ClusterRole相关的资源操作权限


如何授权一个普通用户使用kubectl连接K8S操作管理资源?

先做认证授权

(1)签发kubectl使用的客户端证书和私钥文件
(2)基于客户端证书和私钥文件创建kubectl使用的kubeconfig集群引导配置文件,并放置在用户家目录中 ~/.kube/config再做鉴权授权
(3)创建角色 Role|ClusterRole
rules:
- apiGroups:       #指定资源对象的api组,可参考 kubectl api-resources 的 APIVERSION 字段
  - ""                #例如,vi则设为"",apps/v1则设为"apps",networking.k8s.io/v1则设为"networking.k8s.io"
  resources:       #指定授权的资源名,可参考 kubectl api-resources 的 NAME 字段
  - pods              #资源名
  - pods/log          #子资源名
  verbs:           #指定对资源对象的操作权限
  - get
  - list
  - watch

(4)给主体账户绑定角色
kubectl create clusterrolebinding <资源名称> --clusterrole=<ClusterRole资源名称>  --user=<用户名> [--group=<组名>] [--serviceaccount=<命名空间>:<sa账户名称>]

kubectl create rolebinding <资源名称>  -n <命名空间>  --clusterrole=<ClusterRole资源名称>|--role=<Role资源名称>  --user=<用户名> [--group=<组名>] [--serviceaccount=<命名空间>:<sa账户名称>]


准入控制(Admission Control):使用准入控制插件对资源请求做进一步的规范检查,如果检查不通过则会拒绝请求

K8S在初始化时会默认启动官方推荐的准入控制插件,一般不做修改,但也可以通过修改apiserver的启动参数来设置:
kube-apiserver --enable-admission-plugins=NamespaceLifecycle,LimitRanger ...     #添加指定的准入控制插件
kube-apiserver --disable-admission-plugins=PodNodeSelector,AlwaysDeny ...        #禁用指定的准入控制插件


LimitRanger:用来给在指定的命名空间中创建的Pod或容器设置默认的 requests 和 limits 资源量限制

ResourceQuota:用来在指定的命名空间中进行资源配额,即设置在指定的命名空间中能够创建的资源对象的数量总额或Pod容器能够使用的requests、limits资源量限制的总额