Kubernetes 管理集群中的TLS认证

管理集群中的 TLS 认证

Kubernetes 提供 ​certificates.k8s.io​ API，可让你配置由你控制的证书颁发机构（CA） 签名的 TLS 证书。 你的工作负载可以使用这些 CA 和证书来建立信任。

​certificates.k8s.io​ API使用的协议类似于 ACME 草案。

说明：
使用 ​certificates.k8s.io​ API 创建的证书由指定 CA 颁发。 将集群配置为使用集群根目录 CA 可以达到这个目的，但是你永远不要依赖这一假定。 不要以为这些证书将针对群根目录 CA 进行验证。

在开始之前

你必须拥有一个 Kubernetes 的集群，同时你的 Kubernetes 集群必须带有 kubectl 命令行工具。 建议在至少有两个节点的集群上运行本教程，且这些节点不作为控制平面主机。 如果你还没有集群，你可以通过 Minikube 构建一个你自己的集群，或者你可以使用下面任意一个 Kubernetes 工具构建：

• Katacoda
• 玩转 Kubernetes

你需要 ​cfssl ​工具。 你可以从 https://github.com/cloudflare/cfssl/releases 下载 ​cfssl​。

本文中某些步骤使用 ​jq ​工具。如果你没有 ​jq​，你可以通过操作系统的软件源安装， 或者从 https://stedolan.github.io/jq/ 获取。

集群中的 TLS 信任

信任 Pod 中运行的应用程序所提供的自定义 CA 通常需要一些额外的应用程序配置。 你需要将 CA 证书包添加到 TLS 客户端或服务器信任的 CA 证书列表中。 例如，你可以使用 Golang TLS 配置通过解析证书链并将解析的证书添加到 ​tls.Config​ 结构中的 ​RootCAs ​字段中。

说明：
即使自定义 CA 证书可能包含在文件系统中（在 ConfigMap ​kube-root-ca.crt​ 中）， 除了验证内部 Kubernetes 端点之外，你不应将该证书颁发机构用于任何目的。 内部 Kubernetes 端点的一个示例是默认命名空间中名为 ​kubernetes ​的服务。
如果你想为你的工作负载使用自定义证书颁发机构，你应该单独生成该 CA， 并使用你的 Pod 有读权限的 ConfigMap 分发该 CA 证书。

请求证书

以下部分演示如何为通过 DNS 访问的 Kubernetes 服务创建 TLS 证书。

说明： 本教程使用 CFSSL：Cloudflare's PKI 和 TLS 工具包 点击此处了解更多信息。

创建证书签名请求 

通过运行以下命令生成私钥和证书签名请求（或 CSR）:

cat <<EOF | cfssl genkey - | cfssljson -bare server
{
  "hosts": [
    "my-svc.my-namespace.svc.cluster.local",
    "my-pod.my-namespace.pod.cluster.local",
    "192.0.2.24",
    "10.0.34.2"
  ],
  "CN": "my-pod.my-namespace.pod.cluster.local",
  "key": {
    "algo": "ecdsa",
    "size": 256
  }
}
EOF

其中 ​192.0.2.24​ 是服务的集群 IP，​my-svc.my-namespace.svc.cluster.local​ 是服务的 DNS 名称，​10.0.34.2​ 是 Pod 的 IP，而 ​my-pod.my-namespace.pod.cluster.local​ 是 Pod 的 DNS 名称。 你能看到的输出类似于：

2022/02/01 11:45:32 [INFO] generate received request
2022/02/01 11:45:32 [INFO] received CSR
2022/02/01 11:45:32 [INFO] generating key: ecdsa-256
2022/02/01 11:45:32 [INFO] encoded CSR

此命令生成两个文件；它生成包含 PEM 编码 PKCS#10 证书请求的 ​server.csr​， 以及 PEM 编码密钥的 ​server-key.pem​，用于待生成的证书。

创建证书签名请求（CSR）对象发送到 Kubernetes API

使用以下命令创建 CSR YAML 文件，并发送到 API 服务器：

cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: certificates.k8s.io/v1
kind: CertificateSigningRequest
metadata:
  name: my-svc.my-namespace
spec:
  request: $(cat server.csr | base64 | tr -d '\n')
  signerName: example.com/serving
  usages:
  - digital signature
  - key encipherment
  - server auth
EOF

请注意，在步骤 1 中创建的 ​server.csr​ 文件是 base64 编码并存储在 ​.spec.request​ 字段中的。你还要求提供 “digital signature（数字签名）”， “密钥加密（key encipherment）” 和 “服务器身份验证（server auth）” 密钥用途， 由 ​example.com/serving​ 示例签名程序签名的证书。 你也可以要求使用特定的 ​signerName​。

在 API server 中可以看到这些 CSR 处于 Pending 状态。执行下面的命令你将可以看到：

kubectl describe csr my-svc.my-namespace

Name:                   my-svc.my-namespace
Labels:                 <none>
Annotations:            <none>
CreationTimestamp:      Tue, 01 Feb 2022 11:49:15 -0500
Requesting User:        yourname@example.com
Signer:                 example.com/serving
Status:                 Pending
Subject:
        Common Name:    my-pod.my-namespace.pod.cluster.local
        Serial Number:
Subject Alternative Names:
        DNS Names:      my-pod.my-namespace.pod.cluster.local
                        my-svc.my-namespace.svc.cluster.local
        IP Addresses:   192.0.2.24
                        10.0.34.2
Events: <none>

批准证书签名请求（CSR） 

证书签名请求 的批准或者是通过自动批准过程完成的，或由集群管理员一次性完成。 如果你被授权批准证书请求，你可以使用 ​kubectl ​来手动完成此操作；例如：

kubectl certificate approve my-svc.my-namespace

certificatesigningrequest.certificates.k8s.io/my-svc.my-namespace approved

你现在应该能看到如下输出：

kubectl get csr

NAME                  AGE   SIGNERNAME            REQUESTOR              REQUESTEDDURATION   CONDITION
my-svc.my-namespace   10m   example.com/serving   yourname@example.com   <none>              Approved

这意味着证书请求已被批准，并正在等待请求的签名者对其签名。

签名证书签名请求（CSR） 

接下来，你将扮演证书签署者的角色，颁发证书并将其上传到 API 服务器。

签名者通常会使用其 ​signerName ​查看对象的 CertificateSigningRequest API， 检查它们是否已被批准，为这些请求签署证书，并使用已颁发的证书更新 API 对象状态。

创建证书颁发机构 

你需要授权在新证书上提供数字签名。

首先，通过运行以下命令创建签名证书：

cat <<EOF | cfssl gencert -initca - | cfssljson -bare ca
{
  "CN": "My Example Signer",
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  }
}
EOF

你应该看到类似于以下的输出：

2022/02/01 11:50:39 [INFO] generating a new CA key and certificate from CSR
2022/02/01 11:50:39 [INFO] generate received request
2022/02/01 11:50:39 [INFO] received CSR
2022/02/01 11:50:39 [INFO] generating key: rsa-2048
2022/02/01 11:50:39 [INFO] encoded CSR
2022/02/01 11:50:39 [INFO] signed certificate with serial number 263983151013686720899716354349605500797834580472

这会产生一个证书颁发机构密钥文件（​ca-key.pem​）和证书（​ca.pem​）。

颁发证书

{
    "signing": {
        "default": {
            "usages": [
                "digital signature",
                "key encipherment",
                "server auth"
            ],
            "expiry": "876000h",
            "ca_constraint": {
                "is_ca": false
            }
        }
    }
}

使用 ​server-signing-config.json​ 签名配置、证书颁发机构密钥文件和证书来签署证书请求：

kubectl get csr my-svc.my-namespace -o jsonpath='{.spec.request}' | \
  base64 --decode | \
  cfssl sign -ca ca.pem -ca-key ca-key.pem -config server-signing-config.json - | \
  cfssljson -bare ca-signed-server

你应该看到类似于以下的输出：

2022/02/01 11:52:26 [INFO] signed certificate with serial number 576048928624926584381415936700914530534472870337

这会生成一个签名的服务证书文件，​ca-signed-server.pem​。

上传签名证书

最后，在 API 对象的状态中填充签名证书：

kubectl get csr my-svc.my-namespace -o json | \
  jq '.status.certificate = "'$(base64 ca-signed-server.pem | tr -d '\n')'"' | \
  kubectl replace --raw /apis/certificates.k8s.io/v1/certificatesigningrequests/my-svc.my-namespace/status -f -

说明：
这使用命令行工具 ​jq​ 在 ​.status.certificate​ 字段中填充 base64 编码的内容。 如果你没有 ​jq ​工具，你还可以将 JSON 输出保存到文件中，手动填充此字段，然后上传结果文件。

批准 CSR 并上传签名证书后，运行：

kubectl get csr

输入类似于：

NAME                  AGE   SIGNERNAME            REQUESTOR              REQUESTEDDURATION   CONDITION
my-svc.my-namespace   20m   example.com/serving   yourname@example.com   <none>              Approved,Issued

下载证书并使用它

现在，作为请求用户，你可以通过运行以下命令下载颁发的证书并将其保存到 ​server.crt​ 文件中：

CSR 被签署并获得批准后，你应该看到以下内容：

kubectl get csr my-svc.my-namespace -o jsonpath='{.status.certificate}' \
    | base64 --decode > server.crt

现在你可以将 ​server.crt​ 和 ​server-key.pem​ 填充到 Secret 中， 稍后你可以将其挂载到 Pod 中（例如，用于提供 HTTPS 的网络服务器）。

kubectl create secret tls server --cert server.crt --key server-key.pem

secret/server created

最后，你可以将 ​ca.pem​ 填充到 ConfigMap 并将其用作信任根来验证服务证书：

kubectl create configmap example-serving-ca --from-file ca.crt=ca.pem

configmap/example-serving-ca created

批准证书签名请求（CSR） 

Kubernetes 管理员（具有适当权限）可以使用 ​kubectl certificate approve​ 和 ​kubectl certificate deny​ 命令手动批准（或拒绝）证书签名请求（CSR）。 但是，如果你打算大量使用此 API，则可以考虑编写自动化的证书控制器。

注意：
批准证书 CSR 的能力决定了在你的环境中谁信任谁。 不应广泛或轻率地授予批准 CSR 的能力。
在授予 ​approve ​权限之前，你应该确保自己充分了解批准人的验证要求和颁发特定证书的后果。

无论上述机器或人使用 kubectl，“批准者”的作用是验证 CSR 满足如下两个要求：

1. CSR 的 subject 控制用于签署 CSR 的私钥。这解决了伪装成授权主体的第三方的威胁。 在上述示例中，此步骤将验证该 Pod 控制了用于生成 CSR 的私钥。
2. CSR 的 subject 被授权在请求的上下文中执行。 这点用于处理不期望的主体被加入集群的威胁。 在上述示例中，此步骤将是验证该 Pod 是否被允许加入到所请求的服务中。

当且仅当满足这两个要求时，审批者应该批准 CSR，否则拒绝 CSR。

给集群管理员的一个建议

本页面假设已经为 certificates API 配置了签名者。 Kubernetes 控制器管理器提供了一个签名者的默认实现。要启用它，请为控制器管理器设置 ​--cluster-signing-cert-file​ 和 ​--cluster-signing-key-file​ 参数， 使之取值为你的证书机构的密钥对的路径。