Kubernetes（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，需要过三关，第一关是认证（Authentication），第二关是建权（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。

一、kubernetes安全机制

api server是k8s集群的入口，默认有两个端口:

1. 本地端口8080: 用于接收HTTP请求, 不对外服务, 非认证或授权的HTTP请求通过该端口访问API Server
2. 安全端口6443: 用于接收认证授权的HTTPS请求，对外服务。

用户通过安全端口访问k8s的api server需要过三关：认证、授权、准入控制

1. Authentication认证: 用于识别用户身份, 方式有: SSL证书，token, 用户名+密码等
2. Authorization授权: 确认是否对资源具有相关的权限
3. Admission Control准入控制: 判断操作是否符合集群的要求

无论kubectl客户端命令或api或ui，在创建或访问资源时，一定要有apiServer所对应的资源版本，只要资源版本与kind能够正确匹配才能进行继续操作，否侧操作会被终止。

二、Authentication认证

Authentication认证: 用于识别用户身份, 验证方式有:

• token
• 用户名+密码
• SSL证书

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、用户分类

用户有两种:

1. **用户账户(user) **: 是在集群外部访问apiserver时使用的用户，如kubectl命令就是作为kubernetes的admin用户来执行的。
2. 服务账户(ServiceAccount): 为了方便Pod里面的进程调用Kubernetes API或其他外部服务而设计的。
3. User account是为人设计的，而service account则是为Pod中的进程调用Kubernetes API而设计；
4. User account是跨namespace的，而service account则是仅局限它所在的namespace；
5. 每个namespace都会自动创建一个default service account

1.1、需要被认证的访问类型

1. Kubernetes 组件对 API Server 的访问：kubectl、kubelet、kube-proxy
2. 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

1. 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）
2. 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

1.3、证书颁发

1. 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
2. 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

1.4、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。

1.5、Secret 与 SA 的关系

Kubernetes 设计了一种资源对象叫做 Secret，分为两类：

1. 用于保存 ServiceAccount 的 service-account-token
2. 用于保存用户自定义保密信息的 Opaque

1.6、Service Account （SA）中包含三个部分

1. 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
2. ca.crt：ca 根证书，用于 Client 端验证 API Server 发送来的证书
3. 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）。

每个 Pod 启动后都会挂载该 ServiceAccount 的 Token、ca.crt、namespace 到 /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/

kubectl exec -it kube-proxy-2xfjw -n kube-system sh

2、kubeconfig文件

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. kubeconfig文件用于组织有关群集、用户、命名空间和身份验证机制的信息，用于对k8s集群的访问。
2. 使用kubectl命令时默认使用~/.kube/config这个kubeconfig文件来访问k8s集群，也可以用--kubeconfig指定其它文件

一个kubeconfig文件通常由以下几个配置段组成:

1. users: 用户账号及其认证信息列表
2. cluster: 目标集群列表
3. contexts: 以哪个user接入哪个cluster的连接组合。
4. current-context:当前使用的context

示例: 查看admin用户的kubeconfig文件

三、Authorization授权

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：

1. AlwaysDeny：表示拒绝所有的请求，一般用于测试
2. 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
3. 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。
4. 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
5. 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

3.1、RBAC

• RBAC 相对其它访问控制方式，拥有以下优势：

1. 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
2. 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
3. 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：Using RBAC Authorization | Kubernetes

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 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。

小结：
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。

3.2、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: [""]  #""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"]

cluseterole不受名称空间印象，其作用在所有名称空间上，所以无需指定namespace

RoleBinding示例

1. 引用Role角色绑定

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。

使用ClusterRole角色绑定

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。

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

注：因为RoleBinding绑定是受名称空间限制，所以即使ClusterRole角色拥有名称空间权限，也会被限制作用在RoleBingding设置的名称空间内

所以以上的lisi用户对secrets的访问权限只能在kube-public空间中使用

ClusterRoleBinding 示例：

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

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

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

3.3、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 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。

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内的资源定义有如下类型：

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”

四、准入控制（Admission Control）

通过认证和鉴权之后，客户端并不能得到API Server的真正响应，这个请求还需通过Admission Control所控制的一个准入控制插件列表的层层考验。

Admission Control配备有一个“准入控制器”的插件列表，发送给API Server的任何请求都需要通过列表中每一个准入控制器的检查，检查不通过API Server拒绝此调用请求。

此外，准入控制器还能够修改请求参数以完成一些自动化的任务，比如Service Account这个控制器。
当前可配置的Admission Control准入控制如下：

• AlwaysAdmit：允许所有请求；
• AlwaysPullmages：在启动容器之前总去下载镜像，相当于在每个容器的配置项imagePullPolicy=Always
• AlwaysDeny：禁止所有请求，一般用于测试；
• DenyExecOnPrivileged：它会拦截所有想在Privileged Container上执行命令的请求，如果你的集群支持Privileged Container，你又希望限制用户在这些Privileged Container上执行命令，强烈推荐你使用它，其功能已经合并到DenyEscalatingExec中。
• ImagePolicyWebhook：这个插件将允许后端的一个Webhook程序来完成admission controller的功能。ImagePolicyWebhook需要使用一个配置文件（通过kube-apiserver的启动参数–admission-control-config-file设置）定义后端Webhook的参数。目前该插件还处在Alpha版本。
• Service Account：这个plug-in将ServiceAccount实现了自动化，默认启用，如果你想使用ServiceAccount对象，那么强烈推荐使用它。
• SecurityContextDeny：这个插件将使用SecurityContext的Pod中的定义全部失效。SecurityContext在Container中定义了操作系统级别的安全设定（uid，gid，capabilityes，SELinux等）。在未启用PodSecurityPolicy的集群中建议启用该插件，以禁用容器设置的非安全访问权限。
• ResourceQuota：用于资源配额管理目的，作用于namespace上，它会观察所有请求，确保在namespace上的配额不会超标。推荐在Admission Control参数列表中将这个插件安排在最后一个，以免可能被其他插件拒绝的Pod被过早分配资源。
• LimitRanger：用于资源限制管理，作用于namespace上，确保对Pod进行资源限制。启用该插件还会为未设置资源限制的Pod进行默认设置，例如为namespace "default"中所有的Pod设置0.1CPU的资源请求。
• InitialResources：是一个实验特性，旨在为未设置资源请求与限制的Pod，根据其镜像的历史资源的使用情况进行初始化的资源请求、限制设置。
• NamespaceLifecycle：如果尝试在一个不存在的namespace中创建资源对象，则该创建请求将被拒绝。当删除一个namespace时，系统将会删除该namespace中所有对象，保存Pod，Service等。
• DefaultStorageClass：为了实现共享存储的动态供应，为未指定StorageClass或PV的PVC尝试匹配默认的StorageClass，尽可能减少用户在申请PVC时所需了解的后端存储细节。
• DefaultTolerationSeconds：这个插件为那些没有设置forgiveness tolerations并具有notready:NoExecute和unreachable:NoExecute两种taints的Pod设置默认的“容忍”时间，为5min。
• PodSecurityPolicy：这个插件用于在创建或修改Pod时决定是否根据Pod的security context和可用的PodSecurityPolicy对Pod的安全策略进行控制。

4.1、ServiceAccount访问案例

创建namespace

kubectl create namespace sa

创建namespace默认会创建一个serviceaccount和一个secret

#查看sa名称空间的sa证书
kubectl get sa -n sa
#查看sa名称空间的secret
kubectl get secret -n sa

#查看sa证书
kubectl describe sa default -n sa

#查看token
kubectl describe secret default-token-4mp4g -n sa

4.2、创建pod验证其sa与secret

#创建一个pod
kubectl run nginx --image=nginx:1.15 -n sa
#查看pod详细信息
kubectl get pod nginx -n sa -o yaml |grep serviceAccount

创建pod不指定serviceaccount则默认使用default

4.3、创建一个sa

#在sn名称空间中创建一个sa
kubectl create sa daniel -n sa
#查询sa
kubectl get sa -n sa
#查询secret
kubectl get secret -n sa

4.4、创建pod并自定义sa

vim sa-pod.yml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx2
  namespace: sa
spec:
  containers:
  - name: c1
    image: nginx:1.15-alpine
    ports:
    - name: httpd
      containerPort: 80
  serviceAccountName: daniel                # 指定sa为daniel

创建pod

kubectl apply -f sa-pod.yml
#查看pod的sa
kubectl get pod nginx2 -n sa -o yaml |grep serviceAccount