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TLS

了解如何使用传输层安全性（ TLS ）保护集群中的流量。

1: 为 kubelet 配置证书轮换
2: 手动轮换 CA 证书
3: 管理集群中的 TLS 认证

1 - 为 kubelet 配置证书轮换

本文展示如何在 kubelet 中启用并配置证书轮换。

FEATURE STATE: Kubernetes v1.19 [stable]

Before you begin

要求 Kubernetes 1.8.0 或更高的版本

概述

Kubelet 使用证书进行 Kubernetes API 的认证。默认情况下，这些证书的签发期限为一年，所以不需要太频繁地进行更新。

Kubernetes 包含特性 kubelet 证书轮换，在当前证书即将过期时，将自动生成新的秘钥，并从 Kubernetes API 申请新的证书。一旦新的证书可用，它将被用于与 Kubernetes API 间的连接认证。

启用客户端证书轮换

kubelet 进程接收 --rotate-certificates 参数，该参数决定 kubelet 在当前使用的证书即将到期时，是否会自动申请新的证书。

kube-controller-manager 进程接收 --cluster-signing-duration 参数（在 1.19 版本之前为 --experimental-cluster-signing-duration），用来控制签发证书的有效期限。

理解证书轮换配置

当 kubelet 启动时，如被配置为自举（使用--bootstrap-kubeconfig 参数），kubelet 会使用其初始证书连接到 Kubernetes API ，并发送证书签名的请求。可以通过以下方式查看证书签名请求的状态：

kubectl get csr

最初，来自节点上 kubelet 的证书签名请求处于 Pending 状态。如果证书签名请求满足特定条件，控制器管理器会自动批准，此时请求会处于 Approved 状态。接下来，控制器管理器会签署证书，证书的有效期限由 --cluster-signing-duration 参数指定，签署的证书会被附加到证书签名请求中。

Kubelet 会从 Kubernetes API 取回签署的证书，并将其写入磁盘，存储位置通过 --cert-dir 参数指定。然后 kubelet 会使用新的证书连接到 Kubernetes API。

当签署的证书即将到期时，kubelet 会使用 Kubernetes API，自动发起新的证书签名请求。该请求会发生在证书的有效时间剩下 30% 到 10% 之间的任意时间点。同样地，控制器管理器会自动批准证书请求，并将签署的证书附加到证书签名请求中。 Kubelet 会从 Kubernetes API 取回签署的证书，并将其写入磁盘。然后它会更新与 Kubernetes API 的连接，使用新的证书重新连接到 Kubernetes API。

2 - 手动轮换 CA 证书

本页展示如何手动轮换证书机构（CA）证书。

Before you begin

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：

Your Kubernetes server must be at or later than version v1.13. To check the version, enter kubectl version.

要了解 Kubernetes 中用户认证的更多信息，参阅认证；
要了解与 CA 证书最佳实践有关的更多信息，参阅单根 CA。

手动轮换 CA 证书

Caution:

确保备份你的证书目录、配置文件以及其他必要文件。

这里的方法假定 Kubernetes 的控制面通过运行多个 API 服务器以高可用配置模式运行。另一假定是 API 服务器可体面地终止，因而客户端可以彻底地与一个 API 服务器断开连接并连接到另一个 API 服务器。

如果集群中只有一个 API 服务器，则在 API 服务器重启期间会经历服务中断期。

将新的 CA 证书和私钥（例如：ca.crt、ca.key、front-proxy-ca.crt 和 front-proxy-client.key）分发到所有控制面节点，放在其 Kubernetes 证书目录下。

更新 kube-controller-manager 的 --root-ca-file 标志，使之同时包含老的和新的 CA，之后重启组件。

自此刻起，所创建的所有服务账号都会获得同时包含老的 CA 和新的 CA 的 Secret。

Note: kube-controller-manager 标志 --client-ca-file 和 --cluster-signing-cert-file 所引用的文件不能是 CA 证书包。如果这些标志和 --root-ca-file 指向同一个 ca.crt 包文件（包含老的和新的 CA 证书），你将会收到出错信息。要解决这个问题，可以将新的 CA 证书复制到单独的文件中，并将 --client-ca-file 和 --cluster-signing-cert-file 标志指向该副本。一旦 ca.crt 不再是证书包文件，就可以恢复有问题的标志指向 ca.crt 并删除该副本。

更新所有服务账号令牌，使之同时包含老的和新的 CA 证书。

如果在 API 服务器使用新的 CA 之前启动了新的 Pod，这些 Pod 也会获得此更新并且同时信任老的和新的 CA 证书。

base64_encoded_ca="$(base64 -w0 <path to file containing both old and new CAs>)"

for namespace in $(kubectl get ns --no-headers | awk '{print $1}'); do
    for token in $(kubectl get secrets --namespace "$namespace" --field-selector type=kubernetes.io/service-account-token -o name); do
        kubectl get $token --namespace "$namespace" -o yaml | \
          /bin/sed "s/\(ca.crt:\).*/\1 ${base64_encoded_ca}/" | \
          kubectl apply -f -
    done
done

重启所有使用集群内配置的 Pods（例如：kube-proxy、coredns 等），以便这些 Pod 能够使用来自 ServiceAccount Secret 中的、已更新的证书机构数据。
- 确保 coredns、kube-proxy 和其他使用集群内配置的 Pod 都正按预期方式工作。
将老的和新的 CA 都追加到 kube-apiserver 配置的 --client-ca-file 和 --kubelet-certificate-authority 标志所指的文件。
将老的和新的 CA 都追加到 kube-scheduler 配置的 --client-ca-file 标志所指的文件。

通过替换 client-certificate-data 和 client-key-data 中的内容，更新用户账号的证书。

有关为独立用户账号创建证书的更多信息，可参阅为用户帐号配置证书。

另外，还要更新 kubeconfig 文件中的 certificate-authority-data 节，使之包含 Base64 编码的老的和新的证书机构数据。

遵循下列步骤执行滚动更新
1. 重新启动所有其他 被聚合的 API 服务器 或者 Webhook 处理程序，使之信任新的 CA 证书。
2. 在所有节点上更新 kubelet 配置中的 clientCAFile 所指文件以及 kubelet.conf 中的 certificate-authority-data 并重启 kubelet 以同时使用老的和新的 CA 证书。
  
  如果你的 kubelet 并未使用客户端证书轮换，则在所有节点上更新 kubelet.conf 中 client-certificate-data 和 client-key-data 以及 kubelet 客户端证书文件（通常位于 /var/lib/kubelet/pki 目录下）
1. 使用用新的 CA 签名的证书（apiserver.crt、apiserver-kubelet-client.crt 和 front-proxy-client.crt）来重启 API 服务器。你可以使用现有的私钥，也可以使用新的私钥。如果你改变了私钥，则要将更新的私钥也放到 Kubernetes 证书目录下。
  
  由于 Pod 既信任老的 CA 也信任新的 CA，Pod 中的客户端会经历短暂的连接断开状态，之后再连接到使用新的 CA 所签名的证书的新的 API 服务器。
  - 重启调度器以使用新的 CA 证书。
  - 确保控制面组件的日志中没有 TLS 相关的错误信息。
  Note: 要使用 openssl 命令行为集群生成新的证书和私钥，可参阅证书（openssl）。你也可以使用cfssl.
1. 为 Daemonset 和 Deployment 添加注解，从而触发较安全的滚动更新，替换 Pod。
  
  示例：
```
for namespace in $(kubectl get namespace -o jsonpath='{.items[*].metadata.name}'); do
    for name in $(kubectl get deployments -n $namespace -o jsonpath='{.items[*].metadata.name}'); do
        kubectl patch deployment -n ${namespace} ${name} -p '{"spec":{"template":{"metadata":{"annotations":{"ca-rotation": "1"}}}}}';
    done
    for name in $(kubectl get daemonset -n $namespace -o jsonpath='{.items[*].metadata.name}'); do
        kubectl patch daemonset -n ${namespace} ${name} -p '{"spec":{"template":{"metadata":{"annotations":{"ca-rotation": "1"}}}}}';
    done
done
```
  Note: 要限制应用可能受到的并发干扰数量，可以参阅配置 Pod 干扰预算.

如果你的集群使用启动引导令牌来添加节点，则需要更新 kube-public 名字空间下的 ConfigMap cluster-info，使之包含新的 CA 证书。

base64_encoded_ca="$(base64 -w0 /etc/kubernetes/pki/ca.crt)"

kubectl get cm/cluster-info --namespace kube-public -o yaml | \
    /bin/sed "s/\(certificate-authority-data:\).*/\1 ${base64_encoded_ca}/" | \
    kubectl apply -f -

验证集群的功能正常
1. 验证控制面组件的日志，以及 kubelet 和 kube-proxy 的日志，确保其中没有抛出 TLS 错误，参阅查看日志.
2. 验证被聚合的 API 服务器的日志，以及所有使用集群内配置的 Pod 的日志。

完成集群功能的检查之后：
1. 更新所有的服务账号令牌，使之仅包含新的 CA 证书。
  - 使用集群内 kubeconfig 的 Pod 最终也需要被重启，以获得新的服务账号 Secret 数据，进而不再信任老的 CA 证书。
2. 从 kubeconfig 文件和 --client-ca-file 以及 --root-ca-file 标志所指向的文件中去除老的 CA 数据，之后重启控制面组件。
3. 重启 kubelet，移除 clientCAFile 标志所指向的文件以及 kubelet kubeconfig 文件中的老的 CA 数据。

3 - 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。

Note:

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。

Before you begin

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。

Note:

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。

Note: 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。更多信息可参阅支持的签署者名称。

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

tls/server-signing-config.json

{
    "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 -

Note:

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。

Caution:

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：

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。
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。

有关证书批准和访问控制的更多信息，请阅读证书签名请求参考页。

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。