证书详解
k8s证书,k8s附录,Kubernetes学习之路

1903 字
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8 分钟

在进行二进制搭建K8S集群前，我们需要梳理最磨人的一个点，就是各种各样的证书。

官方文档参考：https://kubernetes.io/docs/setup/certificates/

一共有多少证书：

先从Etcd算起：

1、Etcd对外提供服务，要有一套etcd server证书
 
2、Etcd各节点之间进行通信，要有一套etcd peer证书
 
3、Kube-APIserver访问Etcd，要有一套etcd client证书
 
再算kubernetes：
 
4、Kube-APIserver对外提供服务，要有一套kube-apiserver server证书
 
5、kube-scheduler、kube-controller-manager、kube-proxy、kubelet和其他可能用到的组件，需要访问kube-APIserver，要有一套kube-APIserver client证书
 
6、kube-controller-manager要生成服务的service account，要有一对用来签署service account的证书(CA证书)
 
7、kubelet对外提供服务，要有一套kubelet server证书
 
8、kube-APIserver需要访问kubelet，要有一套kubelet client证书

加起来共8套，但是这里的“套”的含义我们需要理解。

同一个套内的证书必须是用同一个CA签署的，签署不同套里的证书的CA可以相同，也可以不同。例如，所有etcd server证书需要是同一个CA签署的，所有的etcd peer证书也需要是同一个CA签署的，而一个etcd server证书和一个etcd peer证书，完全可以是两个CA机构签署的，彼此没有任何关系。这算两套证书。

为什么同一个“套”内的证书必须是同一个CA签署的

原因在验证这些证书的一端。因为在要验证这些证书的一端，通常只能指定一个Root CA。这样一来，被验证的证书自然都需要是被这同一个Root CA对应的私钥签署，不然不能通过认证。

其实实际上，使用一套证书（都使用一套CA来签署）一样可以搭建出K8S，一样可以上生产，但是理清这些证书的关系，在遇到因为证书错误，请求被拒绝的现象的时候，不至于无从下手，而且如果没有搞清证书之间的关系，在维护或者解决问题的时候，贸然更换了证书，弄不好会把整个系统搞瘫。

TLS bootstrapping 简化kubelet证书制作

Kubernetes1.4版本引入了一组签署证书用的API。这组API的引入，使我们可以不用提前准备kubelet用到的证书。

官网地址：https://kubernetes.io/docs/tasks/tls/certificate-rotation/

每个kubelet用到的证书都是独一无二的，因为它要绑定各自的IP地址，于是需要给每个kubelet单独制作证书，如果业务量很大的情况下，node节点会很多，这样一来kubelet的数量也随之增加，而且还会经常变动（增减Node）kubelet的证书制作就成为一件很麻烦的事情。使用TLS bootstrapping就可以省事儿很多。

工作原理：Kubelet第一次启动的时候，先用同一个bootstrap token作为凭证。这个token已经被提前设置为隶属于用户组system：bootstrappers，并且这个用户组的权限也被限定为只能用来申请证书。 用这个bootstrap token通过认证后，kubelet申请到属于自己的两套证书（kubelet server、kube-apiserver client for kubelet），申请成功后，再用属于自己的证书做认证，从而拥有了kubelet应有的权限。这样一来，就去掉了手动为每个kubelet准备证书的过程，并且kubelet的证书还可以自动轮替更新

参考文档：

https://mritd.me/2018/01/07/kubernetes-tls-bootstrapping-note/

https://www.jianshu.com/p/bb973ab1029b

kubelet证书为何不同

这样做是一个为了审计，另一个为了安全。 每个kubelet既是服务端（kube-apiserver需要访问kubelet），也是客户端（kubelet需要访问kube-apiserver），所以要有服务端和客户端两组证书。

服务端证书需要与服务器地址绑定，每个kubelet的地址都不相同，即使绑定域名也是绑定不同的域名，故服务端地址不同

客户端证书也不应相同，每个kubelet的认证证书与所在机器的IP绑定后，可以防止一个kubelet的认证证书泄露以后，使从另外的机器上伪造的请求通过验证。

安全方面，如果每个node上保留了用于签署证书的bootstrap token，那么bootstrap token泄漏以后，是不是可以随意签署证书了？安全隐患非常大。所以，kubelet启动成功以后，本地的bootstrap token需要被删除。

正式制作证书

虽然可以用多套证书，但是维护多套CA实在过于繁杂，这里还是用一个CA签署所有证书。

需要准备的证书：

admin.pem
ca.-key.pem
ca.pem
admin-key.pem
admin.pem
kube-scheduler-key.pem
kube-scheduler.pem
kube-controller-manager-key.pem
kube-controller-manager.pem
kube-proxy-key.pem
 
kube-proxy.pem
 
kubernetes-key.pem
 
kubernetes.pem

使用证书的组件如下：

etcd：使用 ca.pem kubernetes-key.pem kubernetes.pem 
 
kube-apiserver：使用 ca.pem ca-key.pem kubernetes-key.pem kubernetes.pem
 
kubelet：使用 ca.pem
 
kube-proxy：使用 ca.pem kube-proxy-key.pem kube-proxy.pem
 
kubectl：使用 ca.pem admin-key.pem、admin.pem
 
kube-controller-manager：使用 ca-key.pem ca.pem kube-controller-manager-key.pem kube-controller-manager.pem
 
kube-scheduler: 使用 kube-scheduler-key.pem kube-scheduler.pem
我们使用CFSSL来制作证书，它是cloudflare开发的一个开源的PKI工具，是一个完备的CA服务系统，可以签署、撤销证书等，覆盖了一个证书的整个生命周期，后面只用到了它的命令行工具。

注：一般情况下，K8S中证书只需要创建一次，以后在向集群中添加新节点时只要将/etc/kubernetes/ssl目录下的证书拷贝到新节点上即可。

wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd64
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl-certinfo_linux-amd64
chmod +x cfssl_linux-amd64 cfssljson_linux-amd64 cfssl-certinfo_linux-amd64
mv cfssl_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl
mv cfssljson_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssljson
mv cfssl-certinfo_linux-amd64 /usr/bin/cfssl-certinfo

创建CA证书

创建证书配置文件

vim ca-config.json
{
  "signing": {
    "default": {
      "expiry": "87600h"
    },
    "profiles": {
      "kubernetes": {
        "usages": [
            "signing",
            "key encipherment",
            "server auth",
            "client auth"
        ],
        "expiry": "87600h"
      }
    }
  }
}

字段说明：

ca-config.json：可以定义多个 profiles，分别指定不同的过期时间、使用场景等参数；后续在签名证书时使用某个 profile；
 
signing：表示该证书可以签名其他证书；生成的ca.pem证书中 CA=TRUE；
 
server auth：表示client可以用该 CA 对server提供的证书进行验证；
 
client auth：表示server可以用该CA对client提供的证书进行验证；
 
expiry：过期时间

创建CA证书签名请求文件

vim ca-csr.json
 
{
  "CN": "kubernetes",
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "ST": "BeiJing",
      "L": "BeiJing",
      "O": "k8s",
      "OU": "System"
    }
  ],
    "ca": {
       "expiry": "87600h"
    }
}

字段说明：

“CN”：Common Name，kube-apiserver 从证书中提取该字段作为请求的用户名 (User Name)；浏览器使用该字段验证网站是否合法；
 
“O”：Organization，kube-apiserver 从证书中提取该字段作为请求用户所属的组 (Group)

生成CA证书和私钥

cfssl gencert -initca ca-csr.json | cfssljson -bare ca
 
ls | grep ca
ca-config.json
ca.csr
ca-csr.json
ca-key.pem
ca.pem
其中ca-key.pem是ca的私钥，ca.csr是一个签署请求，ca.pem是CA证书，是后面kubernetes组件会用到的RootCA。

创建kubernetes证书

在创建这个证书之前，先规划一下架构

k8s-master1  10.211.55.11
 
k8s-master2  10.211.55.12
 
k8s-master3  10.211.55.13
 
etcd01          10.211.55.11
 
etcd02          10.211.55.12
 
etcd03          10.211.55.13
 
VIP               10.211.55.8

创建kubernetes证书签名请求文件 

vim kubernetes-csr.json
{
    "CN": "kubernetes",
    "hosts": [
      "127.0.0.1",
      "10.211.55.11",
      "10.211.55.12",
      "10.211.55.13",
      "10.211.55.8",
      "10.0.0.1",
      "k8s-master1",
      "k8s-master2",
      "k8s-master3",
      "etcd01",
      "etcd02",
 
      "etcd03",
      "kubernetes",
      "kube-api.wangdong.com",
      "kubernetes.default",
      "kubernetes.default.svc",
      "kubernetes.default.svc.cluster",
      "kubernetes.default.svc.cluster.local"
    ],
    "key": {
        "algo": "rsa",
        "size": 2048
    },
    "names": [
        {
            "C": "CN",
            "ST": "BeiJing",
            "L": "BeiJing",
            "O": "k8s",
            "OU": "system"
        }
    ]
}

字段说明：

如果 hosts 字段不为空则需要指定授权使用该证书的 IP 或域名列表。

由于该证书后续被 etcd 集群和 kubernetes master 集群使用，将etcd、master节点的IP都填上，同时还有service网络的首IP。(一般是 kube-apiserver 指定的 service-cluster-ip-range 网段的第一个IP，如 10.0.0.1)

三个etcd，三个master，以上物理节点的IP也可以更换为主机名。

生成kubernetes证书和私钥

cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=kubernetes kubernetes-csr.json | cfssljson -bare kubernetes
ls |grep kubernetes
kubernetes.csr
kubernetes-csr.json
kubernetes-key.pem
kubernetes.pem

创建admin证书

创建admin证书签名请求文件

vim admin-csr.json
{
  "CN": "admin",
  "hosts": [],
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "ST": "BeiJing",
      "L": "BeiJing",
      "O": "system:masters",
      "OU": "system"
    }
  ]
}

说明：

后续 kube-apiserver 使用 RBAC 对客户端(如 kubelet、kube-proxy、Pod)请求进行授权；
 
kube-apiserver 预定义了一些 RBAC 使用的 RoleBindings，如 cluster-admin 将 Group system:masters 与 Role cluster-admin 绑定，该 Role 授予了调用kube-apiserver 的所有 API的权限；
 
O指定该证书的 Group 为 system:masters，kubelet 使用该证书访问 kube-apiserver 时 ，由于证书被 CA 签名，所以认证通过，同时由于证书用户组为经过预授权的 system:masters，所以被授予访问所有 API 的权限；

注：这个admin 证书，是将来生成管理员用的kube config 配置文件用的，现在我们一般建议使用RBAC 来对kubernetes 进行角色权限控制， kubernetes 将证书中的CN 字段 作为User， O 字段作为 Group

相关权限认证可以参考下面文章

https://mp.weixin.qq.com/s/XIkQdh5gnr-KJhuFHboNag

生成admin证书和私钥

cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=kubernetes admin-csr.json | cfssljson -bare admin
ls | grep admin
admin.csr
admin-csr.json
admin-key.pem
admin.pem

创建kube-proxy证书

创建 kube-proxy 证书签名请求文件

vim kube-proxy-csr.json
{
  "CN": "system:kube-proxy",
  "hosts": [],
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "ST": "BeiJing",
      "L": "BeiJing",
      "O": "k8s",
      "OU": "system"
    }
  ]
}

说明：

CN 指定该证书的 User 为 system:kube-proxy；

kube-apiserver 预定义的 RoleBinding system:node-proxier 将User system:kube-proxy 与 Role system:node-proxier 绑定，该 Role 授予了调用 kube-apiserver Proxy 相关 API 的权限；

该证书只会被 kubectl 当做 client 证书使用，所以 hosts 字段为空
生成kube-proxy证书和私钥

cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=kubernetes  kube-proxy-csr.json | cfssljson -bare kube-proxy
ls |grep kube-proxy
kube-proxy.csr
kube-proxy-csr.json
kube-proxy-key.pem
kube-proxy.pem

创建kube-controoler-manager证书

创建 kube-controoler-manager 证书签名请求文件 

vim kube-controller-manager-csr.json
 
{
    "CN": "system:kube-controller-manager",
    "key": {
        "algo": "rsa",
        "size": 2048
    },
    "hosts": [
      "127.0.0.1",
      "10.211.55.11",
      "10.211.55.12",
      "10.211.55.13",
  "k8s-master1",
  "k8s-master2",
  "k8s-master3"
    ],
    "names": [
      {
        "C": "CN",
        "ST": "BeiJing",
        "L": "BeiJing",
        "O": "system:kube-controller-manager",
        "OU": "system"
      }
    ]
}

说明：

hosts 列表包含所有 kube-controller-manager 节点 IP；
CN 为 system:kube-controller-manager、O 为 system:kube-controller-manager，kubernetes 内置的 ClusterRoleBindings system:kube-controller-manager 赋予 kube-controller-manager 工作所需的权限

生成kube-controoller-manager证书和私钥

cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=kubernetes kube-controller-manager-csr.json | cfssljson -bare kube-controller-manager

创建kube-scheduler证书

创建 kube-scheduler 证书签名请求文件

vim kube-scheduler-csr.json 
{
    "CN": "system:kube-scheduler",
    "hosts": [
      "127.0.0.1",
      "10.211.55.11",
      "10.211.55.12",
      "10.211.55.13",
  "k8s-master1",
  "k8s-master2",
  "k8s-master3",
    ],
    "key": {
        "algo": "rsa",
        "size": 2048
    },
    "names": [
      {
        "C": "CN",
        "ST": "BeiJing",
        "L": "BeiJing",
        "O": "system:kube-scheduler",
        "OU": "system"
      }
    ]
}

说明：

hosts 列表包含所有 kube-scheduler 节点 IP；
CN 为 system:kube-scheduler、O 为 system:kube-scheduler，kubernetes 内置的 ClusterRoleBindings system:kube-scheduler 将赋予 kube-scheduler 工作所需的权限。

经过上述操作，我们会用到如下文件

cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=kubernetes kube-scheduler-csr.json| cfssljson -bare kube-scheduler
ls | grep pem
admin-key.pem
admin.pem
ca-key.pem
ca.pem
kube-proxy-key.pem
kube-proxy.pem
kubernetes-key.pem
kubernetes.pem
kube-controller-manager-key.pem
kube-controller-manager.pem
kube-scheduler-key.pem
kube-scheduler.pem

查看证书信息： 

cfssl-certinfo -cert kubernetes.pem

在搭建k8s集群的时候，将这些文件分发到至此集群中其他节点机器中即可。至此，TLS证书创建完毕

证书这块知道怎么生成、怎么用即可，建议暂时不必过多研究

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