Kubernates集群中的认证、授权与kubeconfig

K8S 提供了丰富的认证和授权机制，可以满足各种场景细粒度的访问控制。本文会介绍 k8s 中的用户认证、授权机制，并通过例子阐述 kubeconfig 的生成和原理，最后会列举常见的证书问题，如过期、吊销、租户控制等。

两种用户

k8s中的客户端访问有两类用户:

普通用户（Human User），一般是集群外访问，如 kubectl 使用的证书

service account: 如集群内的 Pod

有什么区别呢？

k8s 不会对 user 进行管理，并不存储 user 信息，你也不能通过调用k8s api来增删查这个 user。你可以认为这个 user 指的就是公司内的人员，一般需要对接内部权限系统，user 的增删操作都是在 k8s 外部进行，k8s 只做认证不做管理。

k8s 会对serviceaccount 进行管理，他的作用是给集群内运行的 pod 提供一种认证的方式，如果你这个 pod 想调用apiserver操作一些资源如获取 node列表，就需要绑定一个serviceaccount账户给自己，并为这个serviceaccount赋予一定的权限，这样就做到了实体和权限的分离，也就是后面会提到的 rbac 授权。

作用范围：

User独立在 K8S 之外，也就是说User是可以作用于全局的，跨 namespace，并且需要在全局唯一

ServiceAccount是K8S的一种资源，是存在于某个namespace之中的，在不同namespace中可以同名，代表了不同的资源。

举例说明：

为 user 生成 kubeconfig

一个同事张三都想要一份集群的 kubeconfig 用来日常 kubectl 操作集群，但限定只能操作名为 test 的 namespace，公司有独立的权限系统，他的用户 ID 是唯一的，叫zhangsan。接下来手动为这个用户生成 kubeconfig

生成证书：

得到：

zhangsan.pem

zhangsan-key.pem

接下来为 zhangsan 授权，首先生成一份角色：test-role, 权限为test 的命名空间下的所有资源的所有操作权限

然后将这个角色role绑定到zhangsan这个 user 上，代表 zhangsan 拥有了这个 role 的权限

为张三生成专属的 kubeconfig 文件，名为zhangsan.conf

获取 test 下所有的 pod

如果获取其他 namespace 下的pod，则报权限错误

为 pod 创建 serviceaccount

以 metrics-server的 pod 为例，需要对 pod、node、ns 等资源进行 get list操作，因此权限配置为：

pod 的 yaml 配置中声明serviceAccountName为metrics-server

以上是 user用户使用 kubeconfig、pod 使用 serviceaccount 的示例，pod 使用serviceaccount是比较好理解的，但其实 kubeconfig 也可以直接用serviceaccount来生成，不一定非得用 user，只是大多数情况下，kubeconfig 的管理是和用户的声明周期一致的，即子用户可以申领一份自己的 kubeconfig，管理员可以随时吊销或者禁用子用户 kubeconfig 的效力。这个在后面的”多租户下的kubeconfig“中会提到。

三种机制

谈 k8s 的认证和访问控制，一般都会看到这张图：

k8s 中所有的 api 请求都要通过一个 gateway 也就是 apiserver 组件来实现，是集群唯一的访问入口。既然是 gateway，最基础的功能就是 api 的认证 + 鉴权了。对应了图上的步骤1和2，而 k8s 中还提供了第 3 步的 admission Control（准入控制），可以更方便地拦截、校验资源请求。

三种机制：

1、认证：Authentication，即身份认证。检查用户是否为合法用户，如客户端证书、密码、bootstrap tookens和JWT tokens等方式。

2、鉴权：Authorization，即权限判断。判断该用户是否具有该操作的权限，k8s 中支持 Node、RBAC（Role-Based Access Control）、ABAC、webhook等机制，RBAC 为主流方式

3、准入控制：Admission Control。请求的最后一个步骤，一般用于拓展功能，如检查 pod 的resource是否配置，yaml配置的安全是否合规等。一般使用admission webhooks来实现

1-2-3 全部通过后api 请求会被处理，在 k8s 中也就意味着资源变更可以落库到 etcd。

K8S 中的认证

上面提到 k8s 并不存储 user，只知道一个 user 名称，因此 user 在访问api 时怎么做的认证？

kubernetes 支持很多种认证机制，包括：

• X509 client certs
• Static Token File
• Bootstrap Tokens
• Static Password File
• Service Account Tokens
• OpenId Connect Tokens
• Webhook Token Authentication
• Authticating Proxy
• Anonymous requests
• User impersonation
• Client-go credential plugins

前面提到的 user 生成 kubeconfig就是X509 client certs方式， 而 metric-server 就是Service Account Tokens方式。

X509 client certs

即客户端证书认证，X509 是一种数字证书的格式标准，是 kubernetes 中默认开启使用最多的一种，也是最安全的一种，api-server 启动时会指定 ca 证书以及 ca 私钥，只要是通过同一个 ca 签发的客户端 x509 证书，则认为是可信的客户端，kubeadm 安装集群时就是基于证书的认证方式。

客户端证书认证叫作 TLS 双向认证，也就是服务器、客户端互相验证证书的正确性，在都正确的情况下协调通信加密方案。apiserver 、controller-manager、scheduler、kubelet 等组件之间的交互，一般也是基于X509的客户端认证方式，目前最常用的 X509 证书制作工具有 openssl、cfssl ，上面生成 kubeconfig 时用到就是 cfssl 工具签发的证书。

还是举个例子，在手动部署 k8s 集群时需要做的证书操作，如果你已经熟悉这个过程或者用了 kubeadm 等部署工具，可以跳过这一段。

1、基础证书生成

ca-config.json

创建用来生成 CA 文件的 JSON 配置文件，这个文件后面会被各种组件使用，包括了证书过期时间的配置，expiry字段

ca-csr.json

创建用来生成 CA 证书签名请求（CSR）的 JSON 配置文件

生成基础 ca 证书

创建自签名 CA 证书：这里只需要ca-csr.json文件，执行后会生成三个文件：

ca.csr：证书签名请求，一般用于提供给证书颁发机构，自签的就不需要了

ca.pem：证书，公共证书

ca-key.pem：CA密钥

2、生成 apiserver 证书

apiserver-csr.json

hosts列表不仅包含了三台 master 机器的ip，还包括了 对应的负载均衡的 ip和外网 ip（如果有的话），以及 kubernetes 的 svc IP：172.18.0.1

这个 ip 是 svc ip range 中的第一个 ip，如果没有这个 ip，集群内的 pod 将无法通过 serviceaccount 的形式访问 apiserver 并鉴权，会报证书错误。

创建apiserver 的 CA 证书：这里需要4 个文件

• apiserver-csr.json：apiserver的证书配置
• ca.pem：基础公钥
• ca-key.pem：基础私钥
• ca-config.json：配置文件，如过期时间

执行后会生成三个文件：

• apiserver.csr
• apiserver.pem
• apiserver-key.pem

** 使用证书**

Service Account Tokens

也就是 service account 使用的认证方式。

你会发现x509的认证方式比较复杂，需要做很多证书，如果我在集群中部署了一个 pod，比如一些 operator，想访问apiserver获取集群的一些信息，甚至对集群的资源进行改动，这种认证属于 k8s 管理范畴，因此 k8s 定义了一种资源serviceaccounts来定义一个 pod 应该拥有什么权限。

serviceaccounts 是面向 namespace 的，每个 namespace 创建的时候，kubernetes 会自动在这个 namespace 下面创建一个默认的 serviceaccounts，并且这个 serviceaccounts 只能访问该 namespace 的资源。serviceaccounts 和 pod、service、deployment 一样是 kubernetes 集群中的一种资源，用户可以创建自己的serviceaccounts。

service account 主要包含了三个内容：namespace、token 和 ca

• namespace: 指定了 pod 所在的 namespace
• token: token 用作身份验证
• ca: ca 用于验证 apiserver 的证书

每个 service account 都对应一个 secret，这三个信息就存放在这个 secret 里，以 base64 编码。service account 通过 mount 的方式保存在 pod 的文件系统中，其三者都是保存在 /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/目录下。

kubeconfig 的生成与含义

kubeconfig 是用来访问 k8s 集群的凭证，生成 kubeconfig 的步骤很简单但参数很多，这里以生成 admin 的 kubeconfig 为例，解释各参数的含义。

生成最高权限的 kubeconfig。

一般情况下集群创建之后，会先生成一份最高权限的 kubeconfig，即管理员角色，可以操作集群的所有资源，并为其他用户创建或删除权限，可以称之为 admin 证书，生成方式是：

admin-csr.json

admin 证书

生成 admin.conf，即最高权限的 kubeconfig

集群参数

本段设置了所需要访问的集群的信息。

使用 set-cluster 设置了需要访问的集群，如上为 kubernetes 这只是个名称，实际为 –server 指向的 apiserver 所在的集群。

–certificate-authority 设置了该集群的公钥

–embed-certs 为 true 表示将 –certificate-authority 证书写入到 kubeconfig 中

–server 则表示该集群的 apiserver 地址

用户参数

本段主要设置用户的相关信息，主要是用户证书。

用户名: zhangsan

证书: /etc/kubernetes/ssl/zhangsan.pem

私钥: /etc/kubernetes/ssl/zhangsan-key.pem

这一步操作是指客户端的证书首先要经过集群 CA 的签署，否则不会被集群认可，认证就失败。

此处使用的是 客户端 x509 认证方式，也可以使用token认证，如kubelet的 TLS Boostrap机制下的bootstrapping 使用的就是 token 认证方式

上下文参数

集群参数和用户参数可以同时设置多对，而上下文参数就是集群参数和用户参数关联起来。

上面的上下文名称为 kubenetes，集群为 kubenetes(apiserver 地址对应的集群)，用户为zhangsan，表示使用 zhangsan 的用户凭证来访问

kubenetes 集群

最后使用 kubectl config use-context kubernetes 来使用名为 kubenetes 的环境项来作为配置。

如果配置了多个环境项，可以通过切换不同的环境项名字来访问到不同的集群环境。

kubeconfig 的认证过程

正向生成 kubeconfig 我们已经做完了，apiserver 认证请求时，如何解析 kubeconfig 文件的内容呢？

我们可以看下 kubeconfig 的内容：

除了 context，里面有三个证书字段，都是 base64 编码后的内容

certificate-authority-data: server 端的证书，用于验证 apiserver 的合法性

client-certificate-data: 客户端证书

client-key-data: 客户端私钥

可以提取出来 certificate-authority-data 的内容放到一个文件cert.txt，然后base64解码

ertificate-authority-data：

得到的内容其实就是 ca.pem 即服务端证书，apiserver 的证书也是基于ca.pem签发，因为 TLS 是双向认证，apiserver 在认证 kubectl请求时，kubectl 也需要验证 apiserver 的证书，防止中间人攻击，验证的字段就是certificate-authority-data

client-certificate：

因为 k8s 没有 user 这种资源，因此在使用 kubeconfig 访问时，身份信息就“隐藏”在client-certificate的数据中，我们来查看一下。

将 kubeconfig 中的client-certificate-data的内容放在一个文件 client.txt 中，然后解码：

查看证书内容：

输出内容可以看到Subject: organization=system:masters, common_name=kubernetes-admin

apiserver 验证、解析请求，得到 system:masters 的http上下文信息，并传给后续的authorizers来做权限校验。

O 和 CN 的含义

“O”：Organization, apiserver接到请求后从证书中提取该字段作为请求用户所属的组 (Group)
“CN”：Common Name，apiserver从证书中提取该字段作为请求的用户名 (User Name)

在admin-csr.json中， admin使用了system:masters作为组 (Group)

k8s 预定义了 RoleBinding:cluster-admin 将 Group system:masters 与 Role cluster-admin 绑定，该 Role 授予了调用 k8s 相关 API 的权限，权限极高。

即：

• Group: system:masters
• ClusterRole: cluster-admin
• ClusterRoleBinding: cluster-admin

k8s 核心组件的默认权限

admin权限：system:masters组，clusterrole 和 rolebinding 都叫 cluster-admin

kubelet: system:nodes组，clusterrole 和 rolebinding 都叫system:nodes，下同

kube-proxy: system:kube-proxy组

scheduler: system:kube-scheduler组

controller-manager: system:kube-controller-manager组

对应关系如图所示

即 k8s 所有自身组件使用的权限都是基于内置的 clusterrole，生成出来的 kubeconfig 被各组件进程使用，权限都是默认已有 role，如果希望自己创建 role ，就要使用 rbac 授权了

至此，我们应该知道了kubeconfig 的生成流程、验证方式，以及为什么采用了 admin.conf 作为kubeconfig，kubectl就能拥有最高权限。下面是一幅示意图

K8S 中的授权

无论是 user的x509认证 还是 service account的 token认证，认证完后，都要到达第 2 步：授权，
K8S 目前支持了如下四种授权机制：

• Node
• ABAC
• RBAC
• Webhook

用的最多的就是 RBAC，即基于角色做权限控制。

Node

仅 v1.7 版本以上支持 Node 授权，配合 NodeRestriction 准入控制来限制 kubelet，使其仅可访问 node、endpoint、pod、service 以及 secret、configmap、pv、pvc 等相关的资源，在 apiserver 中使用以下配置来开启

node 的鉴权机制：

RBAC

RBAC（Role-Based Access Control）是 kubernetes 中基于角色的访问控制，通过自定义角色并将角色和特定的 user，group，serviceaccounts 关联起来达到权限控制的目的。

RBAC 中有三个比较重要的概念：

• Role: 角色，它其实是一组规则，定义了一组对 Kubernetes API 对象的操作权限；
• Subject: 被作用者，包括 user、group、service account，通俗来讲就是认证机制中所识别的用户；
• RoleBinding: 定义了“被作用者”和“角色”的绑定关系，也就是将用户以及操作权限进行绑定；

RBAC 其实就是通过创建角色(Role），通过 RoleBinding 将被作用者（subject）和角色（Role）进行绑定。下图是 RBAC 中的几种绑定关系：

示例：

role:

权限声明：

apiGroups为“”代表所有核心资源即 v1 group

apiGroups为“*”代表所有group

指定 pod 下的子对象如 kubectl logs xx，在resources中写为pods/log

对于 CRD 的权限可以定义为：

deployment、sts 等不在核心组，

以 prometheus pod 所需要的权限为例：

K8S 中的准入控制

准入控制是请求的最后一个步骤，准入控制有许多内置的模块，可以作用于对象的 “CREATE”、”UPDATE”、”DELETE”、”CONNECT” 四个阶段。在这一过程中，如果任一准入控制模块拒绝，那么请求立刻被拒绝。一旦请求通过所有的准入控制器后就会写入 etcd 中。

准入控制是在 apiserver 中进行配置启用的：

kubectl api-versions |grep admission 来确认是否开启“admissionregistration.k8s.io/v1beta1”

准入控制的配置是有序的，不同的顺序会影响 kubernetes 的性能。若需要对 kubernetes 中的对象做一些扩展，可以使用准入控制，比如：创建 pod 时添加 initContainer 或者校验字段等。准入控制最常使用的扩展方式就是 admission webhooks，分两种

• MutatingAdmissionWebhook：在对象持久化之前进行修改
• ValidatingAdmissionWebhook：在对象持久化之前进行

istio就是通过 mutating webhooks 来自动将Envoy这个 sidecar 容器注入到 Pod 中去的：https://istio.io/docs/setup/kubernetes/sidecar-injection/。

admission webhooks是同步调用，需要部署webhook server，并创建对象ValidatingWebhookConfiguration 或 MutatingWebhookConfiguration来指向自己的 server，以ValidatingAdmissionWebhook为例：

部署 webhook：

配置：ValidatingWebhookConfiguration

你需要等待几秒，然后通过通过Deployment或者直接创建Pod，这时创建Pod的请求就会被apiserver拦住，调用ValidatingAdmissionWebhook进行检查是否Admit通过。比如，上面的example-webhook是检查容器镜像是否以”gcr.io”为前缀的。

示例中的 webhook逻辑比较简单，只是检查下 image name，然后启动 http server

AdmissionWebhook 与 Initializers 的区别：

二者都能实现动态可扩展载入admission controller， Initializers是串行执行，在高并发场景容易导致对象停留在uninitialized状态，影响继续调度。Alpha Initializers特性在k8s 1.14版本被移除了，官方更推荐AdmissionWebhook；MutatingAdmissionWebhook是串行执行，ValidatingAdmissionWebhook是并行执行，性能更好。

证书吊销、过期更换

对于kubeconfig 这种 x509证书来说，只要证书不泄露，可以认为是很安全的。但是颁发证书容易，却没有很好的方案注销证书、续期证书

吊销

想一下如果某个核心成员离职，该如何回收他的admin kubeconfig证书？或者不小心把 kubeconfig 泄露，如何让这个 kubeconfig 无效呢？

先看下封禁手段：

如果是离职，且 k8s 集群在内网环境，就算他把证书带出公司也没关系，毕竟有内网访问限制。但如果是云上 k8s 集群，且开放了公网的入口，那么安全风险就很高了，kubeconfig 只是一个文件，你无法通过限制 ip 来源来封禁。

如果是转岗，封禁就比较困难了，仍然在内网环境，且 kubeconfig 一般在办公电脑上使用，即办公网络到服务内网，通过来源封禁是不可能的。

再看下证书吊销：

kubeconfig 证书不支持吊销，参考 ISSUE。准确的说 k8s 没有实现CRL（证书吊销列表）或 OCSP（在线证书状态协议），并没有一个统一的地方管理这些证书，因此如果您的密钥被盗用，Kubernetes也无法在身份验证层知道。

如何解决这种问题：

• 重新签发证书，涉及到apiserver 等组件的重启
• 如果用了 rbac，封禁这个角色的权限

如何预防这种问题:

重要：不要使用最高权限的证书，不要使用自带权限的证书如 system:master，这种只适合kubelet 等组件使用，不适合用来签发 kubeconfig

无论是用 user 还是 service account 来生成kubeconfig，都使用 rbac 来授权，这样就算 kubeconfig 丢失，也可以解除 clusterrolebinding来吊销权限。即管理给用户的授权，就变成管理clusterrolebinding了

证书的过期时间设置的短一点，如 1 个月就失效，将影响范围降低

合理规划主账号和子账户，如主账户只允许有一份 admin 证书，其他子用户全部基于 rbac 来操作，甚至主账户也可以用 rbac 来操作，只是权限特别大而已

集成外部认证系统

证书之所以无法吊销，是因为证书没有统一的认证中心，换句话，K8S只是定义了一些角色，并没有实现用户管理、权限管理，因此专业的人做专业的事，接入认证系统才是生产环境严肃认真的解决方案。

Kubernetes支持集成第三方Id Provider（IdP），主流的如AD、LADP以及OpenStack Keystone等。一般都是基于 OpenID Connect（OIDC）Token 的认证和授权。

当前支持OpenID Connect的产品有很多，如：

• Keycloak
• UAA
• Dex
• OpenUnison
• 云厂商

证书续签

证书配置中有一个字段：”expiry”: “87600h”代表了证书的过期时间，到期后证书认证会失败。

kubeadm 创建的 Kubernetes 集群， apiserver、controller-manager、kubelete 等组件的证书默认有效期只有一年。

因为 k8s 版本迭代很快，官方推荐一年之内至少用 kubeadm 更新一次 Kubernetes 版本，同时会自动更新证书。

查看根 CA 证书的有效期，默认为 10 年：

查看当前证书有效期

重新签发证书:续签全部证书

也可以局部进行续签

如apiserver-etcd-client 、apiserver-kubelet-client、apiserver、etcd-healthcheck-client、etcd-peer、etcd-server、front-proxy-client
kubeadm alpha certs renew apiserver-etcd-client

如果不是 kubeadm 创建的集群，需要手动重新生成所有组件的证书

kubelet 从 v1.8.0 开始支持证书轮换，当证书过期时，可以自动生成新的密钥，并从 Kubernetes API 申请新的证书。

更换 apiserver 的 ip 或接入 nginx

如果因为机器故障，需要更换 apiserver 机器，则最好保持 ip 不变，否则证书需要重签，因为证书文件中声明了机器 ip和负载均衡 ip，如果访问时只用到了负载均衡 ip，那么机器 ip 可以不用声明，也不用担心机器更换问题。

apiserver 接入 nginx

使用 nginx 的 passthrough，即 4 层转发 ssl 请求（配置简单，不需要apiserver证书）

方法二：使用七层正常的 http 转发

多租户集群中的的用户访问控制

rbac 权限控制是多租户集群中最基础的隔离手段，如基于 namespace 做租户隔离：

企业内部集群：也就是公司内的集群，是很多 k8s 客户的使用模式，因为集群在公司内网环境，网络风险可控，因此一般通过 namespace 对部门或产品线做隔离，如：

• 集群管理员：admin 角色，最高权限，可以扩、缩节点、升级集群，负责分配PV、租户等全局资源，一般是集群负责人。
• 租户管理员：op 角色，租户内（namespace）的最高权限，管理租户内的 rbac 权限、存储、计算资源等
• 普通用户：rd 角色，使用权限，根据开发测试角色不同，功能不同，可能会限制get/list/edit 等权限。

namespace 名一般和部门 id 是一致的，方便对接内部权限系统如 SSO，用户登录后只能看到自己的 ns 下的业务 pod，同时可以下载自己的 kubeconfig 文件。

因为是通过 namespace 做 rbac 权限上的隔离，因此网络层面也要隔离 namespace，禁止互访，如果是跨租户的访问需要开放白名单。而存储和主机特权的隔离需要根据业务来决定，如seccomp/AppArmor/SELinux等是否允许业务使用。

一般情况下，namespace 的权限隔离能满足大多数企业 k8s 的需求，也是很多 paas 平台的租户实现方式。

saas & serveless 平台：一般出现在公有云上，该场景下用户没有 k8s 的概念，且不同的服务可以混布在不同的 namespace，如函数计算、AI 离线计算等，你只需要在 saas 控制台上点击部署 wordpress，选择软件版本，就能得到一个完整的博客平台，不需要关心后面的调度逻辑。

这种混布的业务如果有较高的安全需求，k8s 原生是无法满足的，还需要使用安全容器如 kata在容器运行时来强化租户安全。

其他场景下的认证需求

ingress

除了 k8s 集群的认证，ingress 也需要 https 证书，而 ssl 证书的续期管理都是一件麻烦事，如果你用的是云厂商，可以直接在云上购买 ssl 证书并绑定域名，然后通过 ingress-controller 实现 ingress 的功能，续签和证书管理都在云上进行，不需要自己关心。

如果你觉得正规的 ca证书太贵，想用 Let’s Encrypt 等签发方式，又觉得续签麻烦，可以使用Cert manager来管理你的证书实现证书自动续签。

cert-manager + nginx-ingress-controller 结合可以参考这个文章：https://cert-manager.io/docs/tutorials/acme/ingress/

helm

在 helm2 中，helm 操作需要配合集群内部署 tiller 的 pod 来负责资源的创建，因此 tiller 需要赋予一定的权限，一般为了简单会为 tiller 的 pod 赋予 cluster-admin 的最高权限

tiller pod 运行在kube-system 下，拥有集群所有ns、所有资源的操作权限，不过你也可以限定tiller的使用范围，比如只能在特定的 namespace 下工作，如：

在特定 namespace 中部署 tiller，并仅限于在该 namespace 中部署资源

运行 helm init 来在 tiller-world namespace 中安装 Tiller

而在 helm3 中已经不需要 tiller 这个组件，只需要一个 helm 二进制，因此helm 命令使用的 kubeconfig 的权限，也就决定了能够在哪个 namespace 操作什么资源，helm 权限和 kubectl 统一，更加方便。