Kubernetes 使用kubeadm进行证书管理

使用 kubeadm 进行证书管理

FEATURE STATE: Kubernetes v1.15 [stable]

由 kubeadm 生成的客户端证书在 1 年后到期。 本页说明如何使用 kubeadm 管理证书续订，同时也涵盖其他与 kubeadm 证书管理相关的说明。

在开始之前

你应该熟悉 Kubernetes 中的 PKI 证书和要求。

使用自定义的证书

默认情况下，kubeadm 会生成运行一个集群所需的全部证书。 你可以通过提供你自己的证书来改变这个行为策略。

如果要这样做，你必须将证书文件放置在通过 ​--cert-dir​ 命令行参数或者 kubeadm 配置中的 ​certificatesDir ​配置项指明的目录中。默认的值是 ​/etc/kubernetes/pki​。

如果在运行 ​kubeadm init​ 之前存在给定的证书和私钥对，kubeadm 将不会重写它们。 例如，这意味着你可以将现有的 CA 复制到 ​/etc/kubernetes/pki/ca.crt​ 和 ​/etc/kubernetes/pki/ca.key​ 中，而 kubeadm 将使用此 CA 对其余证书进行签名。

外部 CA 模式

只提供了 ​ca.crt​ 文件但是不提供 ​ca.key​ 文件也是可以的 （这只对 CA 根证书可用，其它证书不可用）。 如果所有的其它证书和 kubeconfig 文件已就绪，kubeadm 检测到满足以上条件就会激活 "外部 CA" 模式。kubeadm 将会在没有 CA 密钥文件的情况下继续执行。

否则，kubeadm 将独立运行 controller-manager，附加一个 ​--controllers=csrsigner​ 的参数，并且指明 CA 证书和密钥。

PKI 证书和要求包括集群使用外部 CA 的设置指南。

检查证书是否过期

你可以使用 ​check-expiration​ 子命令来检查证书何时过期

kubeadm certs check-expiration

输出类似于以下内容：

CERTIFICATE                EXPIRES                  RESIDUAL TIME   CERTIFICATE AUTHORITY   EXTERNALLY MANAGED
admin.conf                 Dec 30, 2020 23:36 UTC   364d                                    no
apiserver                  Dec 30, 2020 23:36 UTC   364d            ca                      no
apiserver-etcd-client      Dec 30, 2020 23:36 UTC   364d            etcd-ca                 no
apiserver-kubelet-client   Dec 30, 2020 23:36 UTC   364d            ca                      no
controller-manager.conf    Dec 30, 2020 23:36 UTC   364d                                    no
etcd-healthcheck-client    Dec 30, 2020 23:36 UTC   364d            etcd-ca                 no
etcd-peer                  Dec 30, 2020 23:36 UTC   364d            etcd-ca                 no
etcd-server                Dec 30, 2020 23:36 UTC   364d            etcd-ca                 no
front-proxy-client         Dec 30, 2020 23:36 UTC   364d            front-proxy-ca          no
scheduler.conf             Dec 30, 2020 23:36 UTC   364d                                    no

CERTIFICATE AUTHORITY   EXPIRES                  RESIDUAL TIME   EXTERNALLY MANAGED
ca                      Dec 28, 2029 23:36 UTC   9y              no
etcd-ca                 Dec 28, 2029 23:36 UTC   9y              no
front-proxy-ca          Dec 28, 2029 23:36 UTC   9y              no

该命令显示 ​/etc/kubernetes/pki​ 文件夹中的客户端证书以及 kubeadm（​admin.conf​、​controller-manager.conf​ 和 ​scheduler.conf​） 使用的 KUBECONFIG 文件中嵌入的客户端证书的到期时间/剩余时间。

另外，kubeadm 会通知用户证书是否由外部管理； 在这种情况下，用户应该小心的手动/使用其他工具来管理证书更新。

Warning: ​kubeadm ​不能管理由外部 CA 签名的证书

Note: 上面的列表中没有包含 ​kubelet.conf​，因为 kubeadm 将 kubelet 配置为 自动更新证书。 轮换的证书位于目录 ​/var/lib/kubelet/pki​。

Warning:
在通过 ​kubeadm init​ 创建的节点上，在 kubeadm 1.17 版本之前有一个 缺陷，该缺陷 使得你必须手动修改 ​kubelet.conf​ 文件的内容。 ​kubeadm init​ 操作结束之后，你必须更新 ​kubelet.conf​ 文件 将 ​client-certificate-data​ 和 ​client-key-data​ 改为如下所示的内容 以便使用轮换后的 kubelet 客户端证书：

client-certificate: /var/lib/kubelet/pki/kubelet-client-current.pem
client-key: /var/lib/kubelet/pki/kubelet-client-current.pem

自动更新证书

kubeadm 会在控制面 升级 的时候更新所有证书。

这个功能旨在解决最简单的用例；如果你对此类证书的更新没有特殊要求， 并且定期执行 Kubernetes 版本升级（每次升级之间的间隔时间少于 1 年）， 则 kubeadm 将确保你的集群保持最新状态并保持合理的安全性。

Note: 最佳的做法是经常升级集群以确保安全。

如果你对证书更新有更复杂的需求，则可通过将 ​--certificate-renewal=false​ 传递给 ​kubeadm upgrade apply​ 或者 ​kubeadm upgrade node​，从而选择不采用默认行为。

Warning: kubeadm 在 1.17 版本之前有一个缺陷， 该缺陷导致 ​kubeadm update node​ 执行时 ​--certificate-renewal​ 的默认值被设置为 ​false​。 在这种情况下，你需要显式地设置 ​--certificate-renewal=true​。

手动更新证书

你能随时通过 ​kubeadm certs renew​ 命令手动更新你的证书。

此命令用 CA（或者 front-proxy-CA ）证书和存储在 ​/etc/kubernetes/pki​ 中的密钥执行更新。

执行完此命令之后你需要重启控制面 Pods。因为动态证书重载目前还不被所有组件和证书支持，所有这项操作是必须的。 静态 Pods 是被本地 kubelet 而不是 API Server 管理， 所以 kubectl 不能用来删除或重启他们。 要重启静态 Pod 你可以临时将清单文件从 ​/etc/kubernetes/manifests/​ 移除并等待 20 秒。 如果 Pod 不在清单目录里，kubelet 将会终止它。 在另一个 ​fileCheckFrequency ​周期之后你可以将文件移回去，为了组件可以完成 kubelet 将重新创建 Pod 和证书更新。

Warning: 如果你运行了一个 HA 集群，这个命令需要在所有控制面板节点上执行。

Note: ​certs renew​ 使用现有的证书作为属性（Common Name、Organization、SAN 等）的权威来源， 而不是 kubeadm-config ConfigMap。强烈建议使它们保持同步。

​kubeadm certs renew​ 提供以下选项：

Kubernetes 证书通常在一年后到期。

• ​--csr-only​ 可用于经过一个外部 CA 生成的证书签名请求来更新证书（无需实际替换更新证书）。
• 可以更新单个证书而不是全部证书。

用 Kubernetes 证书 API 更新证书

本节提供有关如何使用 Kubernetes 证书 API 执行手动证书更新的更多详细信息。

Caution: 这些是针对需要将其组织的证书基础结构集成到 kubeadm 构建的集群中的用户的高级主题。 如果默认的 kubeadm 配置满足了你的需求，则应让 kubeadm 管理证书。

设置一个签名者（Signer）

Kubernetes 证书颁发机构不是开箱即用。你可以配置外部签名者，例如 cert-manager， 也可以使用内置签名者。 内置签名者是 ​kube-controller-manager​ 的一部分。 要激活内置签名者，请传递 ​--cluster-signing-cert-file​ 和 ​--cluster-signing-key-file​ 参数。

如果你正在创建一个新的集群，你可以使用 kubeadm 的 配置文件。

apiVersion: kubeadm.k8s.io/v1beta3
kind: ClusterConfiguration
controllerManager:
  extraArgs:
    cluster-signing-cert-file: /etc/kubernetes/pki/ca.crt
    cluster-signing-key-file: /etc/kubernetes/pki/ca.key

通过外部 CA 更新证书

本节提供有关如何使用外部 CA 执行手动更新证书的更多详细信息。

为了更好的与外部 CA 集成，kubeadm 还可以生成证书签名请求（CSR）。 CSR 表示向 CA 请求客户的签名证书。 在 kubeadm 术语中，通常由磁盘 CA 签名的任何证书都可以作为 CSR 生成。但是，CA 不能作为 CSR 生成。

创建证书签名请求 (CSR)

你可以通过 ​kubeadm certs renew --csr-only​ 命令创建证书签名请求。

CSR 和随附的私钥都在输出中给出。 你可以传入一个带有 ​--csr-dir​ 的目录，将 CRS 输出到指定位置。 如果未指定 ​--csr-dir​，则使用默认证书目录（​/etc/kubernetes/pki​）。

证书可以通过 ​kubeadm certs renew --csr-only​ 来续订。 和 ​kubeadm init​ 一样，可以使用 ​--csr-dir​ 标志指定一个输出目录。

CSR 签署证书后，必须将证书和私钥复制到 PKI 目录（默认情况下为 ​/etc/kubernetes/pki​）。

CSR 中包含一个证书的名字，域和 IP，但是未指定用法。 颁发证书时，CA 有责任指定正确的证书用法

• 在 ​openssl ​中，这是通过 openssl ca 命令 来完成的。
• 在 ​cfssl ​中，这是通过 在配置文件中指定用法 来完成的。

使用首选方法对证书签名后，必须将证书和私钥复制到 PKI 目录（默认为 ​/etc/kubernetes/pki​ ）。

证书机构（CA）轮换

kubeadm 并不直接支持对 CA 证书的轮换或者替换。

启用已签名的 kubelet 服务证书

默认情况下，kubeadm 所部署的 kubelet 服务证书是自签名（Self-Signed）。 这意味着从 metrics-server 这类外部服务发起向 kubelet 的链接时无法使用 TLS 来完成保护。

要在新的 kubeadm 集群中配置 kubelet 以使用被正确签名的服务证书， 你必须向 ​kubeadm init​ 传递如下最小配置数据：

apiVersion: kubeadm.k8s.io/v1beta3
kind: ClusterConfiguration
---
apiVersion: kubelet.config.k8s.io/v1beta1
kind: KubeletConfiguration
serverTLSBootstrap: true

如果你已经创建了集群，你必须通过执行下面的操作来完成适配：

• 找到 ​kube-system​ 名字空间中名为 ​kubelet-config-1.24​ 的 ConfigMap 并编辑之。 在该 ConfigMap 中，​kubelet ​键下面有一个 KubeletConfiguration 文档作为其取值。编辑该 KubeletConfiguration 文档以设置 ​serverTLSBootstrap: true​。
• 在每个节点上，在 ​/var/lib/kubelet/config.yaml​ 文件中添加 ​serverTLSBootstrap: true​ 字段，并使用 ​systemctl restart kubelet​ 来重启 kubelet。

字段 ​serverTLSBootstrap ​将允许启动引导 kubelet 的服务证书，方式 是从 ​certificates.k8s.io​ API 处读取。这种方式的一种局限在于这些 证书的 CSR（证书签名请求）不能被 kube-controller-manager 中默认的 签名组件 ​kubernetes.io/kubelet-serving​ 批准。需要用户或者第三方控制器来执行此操作。

可以使用下面的命令来查看 CSR：

kubectl get csr

NAME        AGE     SIGNERNAME                        REQUESTOR                      CONDITION
csr-9wvgt   112s    kubernetes.io/kubelet-serving     system:node:worker-1           Pending
csr-lz97v   1m58s   kubernetes.io/kubelet-serving     system:node:control-plane-1    Pending

你可以执行下面的操作来批准这些请求：

kubectl certificate approve <CSR-名称>

默认情况下，这些服务证书上会在一年后过期。 kubeadm 将 ​KubeletConfiguration ​的 ​rotateCertificates ​字段设置为 ​true​；这意味着证书快要过期时，会生成一组针对服务证书的新的 CSR，而 这些 CSR 也要被批准才能完成证书轮换。

如果你在寻找一种能够自动批准这些 CSR 的解决方案，建议你与你的云提供商 联系，询问他们是否有 CSR 签名组件，用来以带外（out-of-band）的方式检查 节点的标识符。

也可以使用第三方定制的控制器：

• kubelet-csr-approver

除非既能够验证 CSR 中的 CommonName，也能检查请求的 IP 和域名， 这类控制器还算不得安全的机制。 只有完成彻底的检查，才有可能避免有恶意的、能够访问 kubelet 客户端证书的第三方 为任何 IP 或域名请求服务证书。

为其他用户生成 kubeconfig 文件 

在集群创建过程中，kubeadm 对 ​admin.conf​ 中的证书进行签名时，将其配置为 ​Subject: O = system:masters, CN = kubernetes-admin​。 ​system:masters​ 是一个例外的超级用户组，可以绕过鉴权层（例如 RBAC）。 强烈建议不要将 ​admin.conf ​文件与任何人共享。

你要使用 ​kubeadm kubeconfig user​ 命令为其他用户生成 kubeconfig 文件，这个命令支持命令行参数和 kubeadm 配置结构。 以上命令会将 kubeconfig 打印到终端上，也可以使用 ​kubeadm kubeconfig user ... > somefile.conf​ 输出到一个文件中。

如下 kubeadm 可以在 ​--config​ 后加的配置文件示例：

# example.yaml
apiVersion: kubeadm.k8s.io/v1beta3
kind: ClusterConfiguration
# kubernetes 将作为 kubeconfig 中集群名称
clusterName: "kubernetes"
# some-dns-address:6443 将作为集群 kubeconfig 文件中服务地址（IP 或者 DNS 名称）
controlPlaneEndpoint: "some-dns-address:6443"
# 从本地挂载集群的 CA 秘钥和 CA 证书
certificatesDir: "/etc/kubernetes/pki"

确保这些设置与所需的目标集群设置相匹配。可以使用以下命令查看现有集群的设置：

kubectl get cm kubeadm-config -n kube-system -o=jsonpath="{.data.ClusterConfiguration}"

以下示例将为在 ​appdevs ​组的 ​johndoe ​用户创建一个有效期为 24 小时的 kubeconfig 文件：

kubeadm kubeconfig user --config example.yaml --org appdevs --client-name johndoe --validity-period 24h

以下示例将为管理员创建一个有效期有一周的 kubeconfig 文件：

kubeadm kubeconfig user --config example.yaml --client-name admin --validity-period 168h