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k8s——安全机制

news 2025/7/15 19:11:50

一、安全机制说明

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），只有通过这三关才可能会被K8S创建资源。

二、认证（Authentication）

HTTP 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。

注意：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。

2.1 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）

2.2 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

2.3 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

2.4 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 文件位置： ~/.kube/config

2.5 Service Account（SA）

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。

2.6 secret与SA的关系

2.6.1 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

2.6.2 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）。

2.7 示例

2.7.1 查看SA信息

kubectl get sa——查看service account

2.7.2 查看kube-system下的所有信息

kubectl get pod -n kube-system——获得kube-system命名空间中所有Pod的列表

2.7.3 Pod中的容器上启动一个交互式的sh

kubectl exec -it kube-proxy-s7sxg -n kube-system sh——用于在名为kube-proxy-s7sxg的Pod中的容器上执行一个交互式的shell（sh）

解释如下：

kubectl exec: 这部分表示在Kubernetes中执行一个命令。
-it: 这两个选项结合起来表示要创建一个交互式的终端，允许用户与容器进行交互。
kube-proxy-s7sxg: 这是要执行命令的Pod的名称。在这种情况下，您将在名为kube-proxy-s7sxg的Pod中执行命令。
-n kube-system: 这部分表示要在kube-system命名空间中执行命令。kube-system命名空间通常用于存储Kubernetes系统组件和插件。

三、鉴权（Authorization）

3.1 鉴权的功能

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。

鉴权（Authorization）是确定请求方有哪些资源的权限。

3.2 鉴权的授权策略

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

3.2.1 RBAC的优点

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

3.2.2 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。

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

3.2 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。

3.3 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

3.4 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。

3.5 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。

3.5.1 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: [""]  #""表示 apiGroups 和 apiVersion 使用相同的 core API 组，即 rbac.authorization.k8s.ioresources: ["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。

3.5.2 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"]

3.6 RoleBinding and ClusterRoleBinding

3.6.1 RoleBinding and ClusterRoleBinding定义

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

3.6.2 RoleBinding示例1

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:name: read-podsnamespace: default
subjects:
- kind: Username: zhangsanapiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:kind: Rolename: pod-readerapiGroup: 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。

3.6.3 RoleBinding示例2

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:name: read-secretsnamespace: kube-public
subjects:
- kind: Username: lisiapiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:kind: ClusterRolename: secret-readerapiGroup: 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

3.6.4 ClusterRoleBinding示例

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:name: read-secrets-global
subjects:
- kind: Groupname: managerapiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:kind: ClusterRolename: secret-readerapiGroup: 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。

3.7 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

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。

3.7.1 示例

允许某主体读取pods同时访问这些Pod的log子资源

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:namespace: defaultname: pod-and-pod-logs-reader
rules:
- apiGroups: [""]resources: ["pods", "pods/log"]verbs: ["get", "list"]

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

三、准入控制（Admission Control）

3.1 准入控制定义

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。

3.1.1 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

3.1.2 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/https://kubernetes.io/zh/docs/reference/access-authn-authz/admission-controllers/

四、实验部署

4.1 创建一个用户

useradd zhangsan
passwd zhangsan

4.2 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

4.3 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

4.4 创建文件夹

mkdir /opt/zhangsan
cd /opt/zhangsan

4.5 API Server会把客户端证书的CN字段作为User，把names.O字段作为Group

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

4.6 使用工具生成证书

cd /etc/kubernetes/pki/
cfssl gencert -ca=ca.crt -ca-key=ca.key -profile=kubernetes /opt/zhangsan/zhangsan-csr.json | cfssljson -bare zhangsan

这是一个使用 cfssl 工具生成证书的命令。具体来说，它使用 ca.crt 和 ca.key 作为根证书和私钥，使用 kubernetes 作为证书配置文件的配置文件，以及 /opt/zhangsan/zhangsan-csr.json 中定义的证书签名请求文件来生成一个名为 zhangsan 的证书。

其中，-profile 参数指定了证书配置文件的名称，-ca 和 -ca-key 参数分别指定了根证书和私钥的文件路径，cfssljson -bare 命令用于将生成的证书和私钥文件输出到当前目录下，文件名为 zhangsan。

需要注意的是，这个命令中的 /opt/zhangsan/zhangsan-csr.json 文件应该是一个包含了证书签名请求信息的 JSON 文件，其中包含了证书的一些基本信息，如 Common Name、Organization 等。

4.7 /etc/kubernetes/pki/目录中会生成zhangsan-key.pem、zhangsan.pem、zhangsan.csr

chmod +x user-cert.sh
./user-cert.sh

4.8 生成一个名为`zhangsan.kubeconfig`的 kubeconfig 配置文件

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

这段脚本用于设置 Kubernetes 集群的认证参数和上下文参数，并生成一个名为 zhangsan.kubeconfig 的配置文件。

首先，脚本中的 APISERVER=\$1 表示将传入的第一个参数作为 API Server 的地址。
接下来，通过 export KUBE_APISERVER="https://$APISERVER:6443" 将 API Server 的地址设置为 https://$APISERVER:6443，并将其导出为环境变量 KUBE_APISERVER。
然后，使用 kubectl config set-cluster 命令设置集群参数。其中，--certificate-authority 参数指定了根证书的路径，--embed-certs=true 表示将证书嵌入到 kubeconfig 文件中，--server 参数指定了 API Server 的地址，--kubeconfig 参数指定了生成的 kubeconfig 文件的名称。
接着，使用 kubectl config set-credentials 命令设置客户端认证参数。--client-key 参数指定了客户端私钥的路径，--client-certificate 参数指定了客户端证书的路径，--embed-certs=true 表示将证书嵌入到 kubeconfig 文件中，--kubeconfig 参数指定了生成的 kubeconfig 文件的名称
最后，使用 kubectl config set-context 命令设置上下文参数。--cluster 参数指定了集群的名称，--user 参数指定了客户端的名称，--namespace 参数指定了默认的命名空间，--kubeconfig 参数指定了生成的 kubeconfig 文件的名称。

综合起来，这段脚本的作用是生成一个名为 zhangsan.kubeconfig 的 kubeconfig 配置文件，其中包含了与 Kubernetes 集群的连接和认证所需的参数。

4.9 运行yaml

4.10 使用上下文参数生成zhangsan.kubeconfig文件

这是一个使用 kubectl 命令设置当前上下文的命令，其中 --kubeconfig 参数指定了使用的 kubeconfig 文件的名称为 zhangsan.kubeconfig。

具体来说，kubectl config use-context 命令用于设置当前上下文，kubernetes 参数指定了上下文的名称，即之前脚本中设置的上下文名称。--kubeconfig 参数指定了使用的 kubeconfig 文件的名称为 zhangsan.kubeconfig，即之前脚本中生成的 kubeconfig 文件的名称。

这个命令的作用是将当前上下文设置为 kubernetes，并使用 zhangsan.kubeconfig 文件中的参数进行连接和认证。这样，就可以使用 kubectl 命令与 Kubernetes 集群进行交互了。

4.11 查看证书

4.12 编辑rbac.yaml

vim rbac.yaml
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:namespace: kgcname: pod-reader
rules:
- apiGroups: [""]resources: ["pods"]verbs: ["get", "watch", "list", "create"]---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:name: read-podsnamespace: kgc
subjects:
- kind: Username: zhangsanapiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:kind: Rolename: pod-readerapiGroup: rbac.authorization.k8s.io

4.13 运行yaml文件

4.14 切换用户，测试操作权限

4.14.1 编辑pod-test.yaml文件

4.14.2 运行yaml文件

4.15 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"

4.16 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"

4.17 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

4.18 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