【Kubernetes】K8s 的安全框架和用户认证

《K8s 的安全认证》系列，共包含以下文章：

• K8s 的安全框架和用户认证
• K8s 的鉴权管理（一）：基于角色的访问控制（RBAC 鉴权）
• K8s 的鉴权管理（二）：基于属性 / 节点 / Webhook 的访问控制
• 服务账号 Service Account

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Kubernetes 作为一个分布式的虚拟化集群管理工具，保证其集群的安全性就显得非常重要。由于 API Server 是访问集群资源的唯一入口，因此 Kubernetes 的安全机制都是围绕保护 API Server 来设计的。

1.Kubernetes 的安全框架

Kubernetes 的安全框架主要由 认证、鉴权 和 准入控制 这 $3$ 个阶段组成。这 $3$ 个阶段的关系如下图所示。

1.1 认证：Authentication

当客户端与 Kubernetes 集群建立 HTTP 通信时，HTTP 请求会先进入认证阶段。由于 API Server 是操作集群资源的唯一入口，因此，可以在 API Server 上配置一个或者多个认证模块，API Server 将逐个验证每一个认证模块，直到其中一个认证成功。如果认证失败，则 API Server 返回 401 状态码给客户端，表示 Kubernetes 拒绝了客户端的连接请求。一般情况下，认证模块只会检查 HTTP 的头部信息（这里包含 用户名、密码、客户端证书、令牌 等信息），而不会检查整个 HTTP 请求。

1.2 鉴权：Authorization

客户端请求在通过了认证阶段后，会进入鉴权阶段。这个阶段会检查请求者是否拥有相应的权限来执行操作。因此，在鉴权阶段需要提供 请求者的用户名、请求的权限或行为，以及 操作的资源对象。如果请求者无法提供，则 Kubernetes 将拒绝该请求。

下面是 Kubernetes 鉴权的一个例子。

{
  "apiVersion": "abac.authorization.kubernetes.io/v1beta1",
  "kind": "Policy",
  "spec": {
    "user": "Jerry",
    "namespace": "project-dev",
    "resource": "pods",
    "readonly": true
  }
}

其中指定了 Jerry 能够在 project-dev 命名空间中读取 Pod。当 Jerry 执行以下操作后就可以正常读取 proiect-dev 名称空间中的 Pod 对象了。

{
  "apiVersion": "authorization.k8s.io/v1beta1",
  "kind": "SubjectAccessReview",
  "spec": {
    "resourceAttributes": {
      "namespace": "project-dev",
      "verb": "get",
      "group": "dev.example.org",
      "resource": "pods"
    }
  }
}

🚀 如果 Jerry 在 project-dev 命名空间中执行写操作（如 create 和 update），则会被鉴权拒绝。另外，Jerry 只对 project-dev 命名空间有读取 Pod 的权限，对于其他命名空间则没有任何权限。

1.3 准入控制：Admission Control

在客户端请求通过了 认证 阶段和 鉴权 阶段后，API Server 不会立即处理客户端请求。因为，这时客户端请求还要通过最后一个阶段 —— 准入控制 阶段。在该阶段中将修改客户端请求中的参数以完成一些特殊的任务。

另外，Kubernetes 为准入控制阶段维护了一个插件列表，发送给 API Server 的所有客户端请求都需要通过该列表中的所有插件的检查。如果某个插件拒绝了客户端请求，则该请求将立即被拒绝，而不会被后续的插件检查。

🚀 Kubernetes 允许用户自己开发每一个阶段的插件，并集成到相应的阶段中以实现用户的访问控制。所有插件都是由 API Server 来启用的。

2.Kubernetes 的用户认证

在 Kubernetes 集群中，用户主要分为两类：User Account 和 Service Account。之前的博客使用的都是 User Account。通过使用 User Account，能够让用户访问 Kubernetes 集群中的资源。简单来说，User Account 是为人而设计的；但 Service Account 却是为 Pod 而设计的。

2.1 Kubernetes 的用户认证方式

通过指定 APl Server 的启动参数，可以让 Kubernetes 使用不同的用户认证方式。下表列举了 Kubernetes 主要支持的 $3$ 种用户认证方式。

通过以下命令可以看出，在默认情况下 Kubernetes 使用的是 证书认证。

cat /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml | grep client-ca

输出的信息如下：

- --client-ca-file=/etc/kubernetes/pki/ca.crt
- --requestheader-client-ca-file=/etc/kubernetes/pki/front-proxy-ca.crt

2.2 配置 Kubernetes 集群使用密码认证

创建 /etc/kubernetes/pki/basic_auth_file.csv 文件用于保存用户名与密码，在文件中输入以下内容。

password123,myadmin,1

🚀 该 CSV 文件的格式为：密码、用户名、用户ID

按照以下内容修改 /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml 文件。增加如下参数：

- --basic-auth-file=/etc/kubernetes/pki/basic_auth_file.csv

将下面这一行注释掉：

# - --client-ca-file=/etc/kubernetes/pki/ca.crt

🚀 这样的配置使得 Kubernetes 集群采用密码认证。如果使用的是用 kubeadmin 部署的 Kubermetes 集群，则 API Server 会自动重启以加载新的 kube-apiserver.yaml 文件。

尝试访问 Kubernetes 集群。

kubectl get node

这时将出现以下错误：

error: You must be logged in to the server (Unauthorized)

由于使用密码认证登录时需要 集群的 CA 证书，所以先创建相关的目录。

mkdir -p /opt/kubernetes/bin/
cd /opt/kubernetes/bin/

下载需要的软件，并授予可执行的权限。

wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd64
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl-certinfo_linux-amd64
chmod +x cfssl*
mv cfssl-certinfo_linux-amd64 /opt/kubernetes/bin/cfssl-certinfo
mv cfssljson_linux-amd64 /opt/kubernetes/bin/cfssljson
mv cfssl_linux-amd64 /opt/kubernetes/bin/cfssl

编辑 ~/.bash_profile 文件加入以下内容设置环境变量。

export PATH=/opt/kubernetes/bin/:$PATH

生效环境变量。

source ~/.bash_profile

初始化 cfssl，并创建临时证书目录。

cd ~
mkdir ssl && cd ssl
cfssl print-defaults config > config.json
cfssl print-defaults csr > csr.json

创建用于生成 CA 证书文件的 JSON 配置信息。

cat > ca-config.json <<EOF
{
  "signing": {
    "default": {
      "expiry": "8760h"
    },
    "profiles": {
      "kubernetes": {
        "usages": [
          "signing",
          "key encipherment",
          "server auth",
          "client auth"
        ],
        "expiry": "8760h"
      }
    }
  }
}
EOF

创建用于生成 CA 证书签名请求（CSR）的 JSON 配置信息。

cat > ca-csr.json <<EOF
{
  "CN" : "kubernetes",
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "ST": "BeiJing",
      "L": "BeiJing",
      "O": "k8s",
      "OU": "System"
    }
  ]
}
EOF

生成 CA 证书（ca.pem）和密钥（ca-key.pem）。

cfssl gencert -initca ca-csr.json | cfssljson -bare ca

将生成的证书复制到 /opt/kubernetes/ssl 目录下。

mkdir -p /opt/kubernetes/ssl
cp ca.csr ca.pem ca-key.pem ca-config.json /opt/kubernetes/ssl

创建 myadmin 用户的信息。

kubectl config set-credentials myadmin --username myadmin --password password123

配置需要访问的集群。

kubectl config set-cluster k8s-cluster \
--server https://172.30.1.2:6443 \
--certificate-authority /opt/kubernetes/ssl/ca.pem

设置 myadmin 用户访问的上下文信息。

kubectl config set-context k8s-cluster-ctx --cluster k8s-cluster --user myadmin

切换到 myadmin 用户访问的上下文。

kubectl config use-context k8s-cluster-ctx

再次访问 Kubernetes 集群。

kubectl get node

这时出现以下错误：

Error from server (Forbidden): nodes is forbidden: User "myadmin" cannot list nodes at the cluster scope

这与前面的错误不一样。这里的错误表示：用户已经通过了认证阶段，但不具备任何权限，因此也不能操作 Kubernetes 集群的资源。