Kubernetes调度流程与安全(七)
一、Kubernetes中的调度流程
1，介绍
Scheduler 是 k8s 中的调度器，主要的任务是把定义的 Pod 分配到集群的节点上。Scheduler 是作为一个单独的程序运行的，启动之后会一直监听 apiserver。听起来很简单，但有很多要考虑的问题：
- 公平：如何保证每个节点都能被分配资源。
- 资源利用率高：集群所有资源最大化被使用。
- 效率：调度的性能要好，能够尽快的对大批量的 Pod 完成调度工作。
- 灵活：允许用户根据自己的需求控制调度逻辑。
调度过程分为几个部分：
2，亲和性
亲和性策略，可以设置 Pod 在创建时更倾向创建在哪个节点上。其有两个维度可设置：
- 节点亲和性：设置节点的相关信息，在创建 Pod 的时候与节点信息进行匹配。
- Pod 亲和性：设置 Pod 的相关信息，在创建 Pod 的时候与已存在的 Pod 信息进行匹配。
不管是节点亲和性还是 Pod 亲和性，其设置策略中都有 软策略 和 硬策略 两种方案。
- 软策略(preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution)：Pod 倾向于创建在某个节点上，如果条件不符合，可以创建在其它节点上。
- 硬策略(requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution)：Pod 必须被创建某个节点上，如果条件不符合，那么 Pod 会一直处于 pending 状态。
a)节点亲和性
软策略示例
apiVersion: v1 kind: Pod metadata: name: node-pre-pod spec: containers: - name: nginx-container image: hub.xcc.com/my-xcc/my-nginx:v1 ports: - containerPort: 80 affinity: nodeAffinity: #亲和性 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: #软策略 - weight: 1 #权重值 preference: matchExpressions: #匹配表达式 - key: kubernetes.io/hostname #节点标签名 operator: In #操作运算关系符 values: #标签值 - worker01
硬策略示例
apiVersion: v1 kind: Pod metadata: name: node-req-pod spec: containers: - name: nginx-container image: hub.xcc.com/my-xcc/my-nginx:v1 ports: - containerPort: 80 affinity: nodeAffinity: #节点亲和性 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: #硬策略 nodeSelectorTerms: - matchExpressions: - key: kubernetes.io/hostname operator: NotIn values: -worker01
两个策略组合。这样的Pod会先匹配符合硬策略的节点，然后在匹配符合软策略的节点。
apiVersion: v1 kind: Pod metadata: name: node-pod spec: containers: - name: nginx-container image: hub.xcc.com/my-xcc/my-nginx:v1 ports: - containerPort: 80 affinity: nodeAffinity: requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: nodeSelectorTerms: - matchExpressions: - key: kubernetes.io/hostname operator: NotIn values: - worker01 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: - weight: 1 preference: matchExpressions: - key: kubernetes.io/hostname operator: In values: - worker02
b)Pod亲和性
- podAffinity：Pod 与指定的 Pod 在同一拓扑域。
- podAntiAffinity：Pod 与指定的 Pod 不在同一拓扑域。
拓扑域：使用 topologyKey 属性（下方示例中有）定义的值，通俗来讲就是节点的标签。
示例
apiVersion: v1 kind: Pod metadata: name: pod-aff-pod spec: containers: - name: nginx-container image: hub.xcc.com/my-xcc/my-nginx:v1 ports: - containerPort: 80 affinity: podAffinity: requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: - labelSelector: matchExpressions: - key: pod-name operator: In values: - nginx-pod topologyKey: kubernetes.io/hostname podAntiAffinity: preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: - weight: 1 podAffinityTerm: labelSelector: matchExpressions: - key: pod-name operator: In valuses: - nginx-pod topologyKey: kubernetes.io/hostname
| 调度策略 | 匹配标签 | 操作符 | 拓扑域支持 | 调度目标 |
|---|---|---|---|---|
| nodeAffinity | 主机 | In、NotIn、Exists、DoesNotExist、Gt、Lt | 否 | 指定主机 |
| podAffinity | Pod | In、NotIn、Exists、DoesNotExist | 是 | Pod 与指定 Pod 在同一拓扑域 |
| podAnitAffinity | Pod | In、NotIn、Exists、DoesNotExist | 是 | Pod 与指定 Pod 不在同一拓扑域 |
3，污点和容忍
污点（taint）和容忍（toleration）相互相互配合，可以用来避免 Pod 被分配到不适合的节点上。每个节点可以有0个或者多个 taint，这表示对于那些不能容忍这些 taint 的 Pod，是不会被创建在这些节点上的。如果将 toleration 应用于 Pod 上，则表示这些 Pod 可以被调度到具有匹配 taint 的节点上。
通俗来讲，就是节点上可以设置污点（taint），如果创建 Pod 时不设置 Pod 的容忍（toleration）的话，那么该 Pod 就不可能被创建在有污点的节点上。master 节点默认有一个污点，这也就是为什么前面我们创建的 Pod 一直没有被创建在 master 节点上的原因。
kubectl get node kubectl describe node master01 ...... Taints: node-role.kubernetes.io/master:NoSchedule ......
a）污点
key=value:effect
-
key=value：每一个污点都有一个 key 和 value 作为 污点的标签，其中 value 可以为空，即 key:effect。我们上面列出的 master 默认污点就是这种格式。
-
effect：描述污点的作用，支持以下三种选项：
- NoSchedule：k8s 不会将 Pod 调度到具有该污点的 Node 上。
- PreferNoSchedule：k8s 尽量避免将 Pod 调度到具有该污点的 Node 上。
- NoExecute：k8s 不会将 Pod 调度到具有该污点的 Node 上，同时会将 Node 上已存在的 Pod 驱逐出去。
注意：上面描述的前提是所有 Pod 是没有设置容忍的。
设置、去除污点
# 设置污点 kubectl taint nodes node01 check=test:NoSchedule # 去除污点，只需要在最后加一个 '-' kubectl taint nodes node01 check=test:NoSchedule- # 查看某个node的污点，其结果中的 Taints 字段便是污点 kubectl describe node node01
设置多master防止资源浪费
kubectl taint nodes <node-name> node-role.kubernetes.io/master=:PreferNoSchedule
b)容忍
设置了污点的 node 将根据污点的作用（effect）与 Pod 之间产生互斥的关系。但是我们可以在创建 Pod 时为 Pod 设置容忍，意味着 Pod 在创建时可以容忍污点的存在，可以被调度到存在污点的 node 上。
spec: tolerations: - effect: "NoSchedule" key: "key" operator: "Exists" tolerationSeconds: 3600 value: "value"
-
key、value、effect：需要与 node 上的污点标签信息一致。
-
operator：表示 key 与 value 的关系。
- Exists：忽略 value 的值，只要 key 匹配上即可。
- Equal：默认为 Equal。
-
tolerationSeconds：如果 effect 的值为 Noexecute，那么 tolerationSeconds 表示 Pod 在被驱逐之前还可以保留运行的时间。
#当不指定 key 时，表示容忍所有的污点 key spec: tolerations: - operator: "Exists" #当不指定 effect 时，表示容忍所有的污点作用 spec: tolerations: - key: "key" operator: "Exists"
4，指定调度节点
如果你想要指定 Pod 被调度到具体的 node 上，那么你可以这样做
kind: Pod spec: nodeName: node01 #将 Pod 直接调度到指定的 node 节点上，会跳过 Scheduler 的调度策略，是强制匹配 # 或者 spec: nodeSelector: #通过 k8s 的 label-selector 机制选择节点，由调度器策略匹配 label，而后调度 Pod 到目标节点上，该匹配规则属于强制约束。 kubernetes.io/hostname: node01
二、Kubernetes中的认证、鉴权和准入控制
1，机制说明
Kubernetes作为一个分布式集群的管理工具，保证集群的安全性是一个重要的任务。API Server是集群内部各组件通信的中介，也是外部控制的入口。所以Kubernetes的安全机制基本就是围绕保护API Server来设计的。Kubernetes使用了认证（Authetication)、鉴权（Authorization）、准入控制（Admission Control）三步来保证API Server的安全。
2，认证(Authentication)
-
HTTP Token 认证：通过一个 Token 来识别合法用户
-
HTTP Base 认证：通过 用户名+密码 的方式认证(base64加密)
-
最严格的 HTTPS 证书认证：基于 CA 根证书签名的客户端身份认证方式
a）HTTPS 证书认证：
b)需要认证的节点
两种类型
- Kubenetes 组件对 API Server 的访问：kubectl、Controller Manager、Scheduler、kubelet、kube-proxy
- Kubernetes 管理的 Pod 对容器的访问：Pod（dashborad 也是以 Pod 形式运行）
安全性说明
- Controller Manager、Scheduler 与 API Server 在同一台机器，所以直接使用 API Server 的非安全端口访问， –insecure-bind-address=127.0.0.1
- kubectl、kubelet、kube-proxy 访问 API Server 就都需要证书进行 HTTPS 双向认证
证书颁发
- 手动签发：通过 k8s 集群的跟 ca 进行签发 HTTPS 证书
- 自动签发：kubelet 首次访问 API Server 时，使用 token 做认证，通过后，Controller Manager 会为kubelet 生成一个证书，以后的访问都是用证书做认证了
c)kubeconfig
kubeconfifig 文件包含集群参数（CA证书、API Server地址），客户端参数（上面生成的证书和私钥），集群context 信息（集群名称、用户名）。Kubenetes 组件通过启动时指定不同的 kubeconfifig 文件可以切换到不同的集群。
d)ServiceAccount
Pod中的容器访问API Server。因为Pod的创建、销毁是动态的，所以要为它手动生成证书就不可行了。Kubenetes使用了Service Account解决Pod 访问API Server的认证问题。
e)Secret 与 SA 的关系
Kubernetes 设计了一种资源对象叫做 Secret，分为两类，一种是用于 ServiceAccount 的 service-account-token， 另一种是用于保存用户自定义保密信息的 Opaque。ServiceAccount 中用到包含三个部分：Token、ca.crt、namespace
- token是使用 API Server 私钥签名的 JWT。用于访问API Server时，Server端认证
- ca.crt，根证书。用于Client端验证API Server发送的证书
- namespace, 标识这个service-account-token的作用域名空间
kubectl get secret --all-namespaces
kubectl describe secret default-token-5gm9r --namespace=kube-system
默认情况下，每个 namespace 都会有一个 ServiceAccount，如果 Pod 在创建时没有指定 ServiceAccount，就会使用 Pod 所属的 namespace 的 ServiceAccount。
3，授权(Authorization)
上面认证过程，只是确认通信的双方都确认了对方是可信的，可以相互通信。而鉴权是确定请求方有哪些资源的权限。API Server 目前支持以下几种授权策略 （通过 API Server 的启动参数 “–authorization-mode” 设置）。
- AlwaysDeny：表示拒绝所有的请求，一般用于测试
- AlwaysAllow：允许接收所有请求，如果集群不需要授权流程，则可以采用该策略
- ABAC（Attribute-Based Access Control）：基于属性的访问控制，表示使用用户配置的授权规则对用户请求进行匹配和控制
- Webbook：通过调用外部 REST 服务对用户进行授权
- RBAC（Role-Based Access Control）：基于角色的访问控制，现行默认规则
4，RBAC授权模式
RBAC（Role-Based Access Control）基于角色的访问控制，在 Kubernetes 1.5 中引入，现行版本成为默认标准。相对其它访问控制方式，拥有以下优势：
- 对集群中的资源和非资源均拥有完整的覆盖
- 整个 RBAC 完全由几个 API 对象完成，同其它 API 对象一样，可以用 kubectl 或 API 进行操作
- 可以在运行时进行调整，无需重启 API Server
a）RBAC 的 API 资源对象说明
RBAC 引入了 4 个新的顶级资源对象：Role、ClusterRole、RoleBinding、ClusterRoleBinding，4 种对象类型均可以通过 kubectl 与 API 操作
b)Role和ClusterRole
在 RBAC API 中，Role 表示一组规则权限，权限只会增加(累加权限)，不存在一个资源一开始就有很多权限而通过RBAC 对其进行减少的操作；Role 可以定义在一个 namespace 中，如果想要跨 namespace 则可以创建ClusterRole。
kind: Role apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1 metadata: namespace: default name: pod-reader rules: - apiGroups: [""] # "" indicates the core API group resources: ["pods"] verbs: ["get", "watch", "list"]
ClusterRole 具有与 Role 相同的权限角色控制能力，不同的是 ClusterRole 是集群级别的，ClusterRole 可以用于:
- 集群级别的资源控制( 例如 node 访问权限 )
- 非资源型 endpoints( 例如 /healthz 访问 )
- 所有命名空间资源控制(例如 pods )
kind: ClusterRole apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1 metadata: # "namespace" omitted since ClusterRoles are not namespaced name: secret-reader rules: - apiGroups: [""] resources: ["secrets"] verbs: ["get", "watch", "list"]
c)RoleBinding和ClusterRoleBinding
RoloBinding 可以将角色中定义的权限授予用户或用户组，RoleBinding 包含一组权限列表(subjects)，权限列表中包含有不同形式的待授予权限资源类型(users, groups, or service accounts)；RoloBinding 同样包含对被Bind 的 Role 引用；RoleBinding 适用于某个命名空间内授权，而 ClusterRoleBinding 适用于集群范围内的授权。
将 default 命名空间的 pod-reader Role 授予 jane 用户，此后 jane 用户在 default 命名空间中将具有 pod-reader 的权限 。
kind: RoleBinding apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1 metadata: name: read-pods namespace: default subjects: - kind: User name: jane apiGroup: rbac.authorization.k8s.io roleRef: kind: Role name: pod-reader apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
RoleBinding 同样可以引用 ClusterRole 来对当前 namespace 内用户、用户组或 ServiceAccount 进行授权，这种操作允许集群管理员在整个集群内定义一些通用的 ClusterRole，然后在不同的 namespace 中使用RoleBinding 来引用。
kind: RoleBinding apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1 metadata: name: read-secrets namespace: development # 只能访问 development 空间中的 secrets(因为 RoleBinding 定义在 development 命名空间) subjects: - kind: User name: dave apiGroup: rbac.authorization.k8s.io roleRef: kind: ClusterRole # RoleBinding 引用了一个 ClusterRole name: secret-reader #这个 ClusterRole 具有整个集群内对 secrets 的访问权限 apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
使用 ClusterRoleBinding 可以对整个集群中的所有命名空间资源权限进行授权；以下 ClusterRoleBinding 样例展示了授权 manager 组内所有用户在全部命名空间中对 secrets 进行访问 。
#允许在manger的Group组中的每个人都可以去读取任意namespace下的secrets kind: ClusterRoleBinding apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1 metadata: name: read-secrets-global subjects: - kind: Group name: manager apiGroup: rbac.authorization.k8s.io roleRef: kind: ClusterRole name: secret-reader #余ClusterRole对应 apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
d)Resources
Kubernetes 集群内一些资源一般以其名称字符串来表示，这些字符串一般会在 API 的 URL 地址中出现；同时某些资源也会包含子资源，例如 logs 资源就属于 pods 的子资源，API 中 URL 样例如下
GET /api/v1/namespaces/{namespace}/pods/{name}/log
如果要在 RBAC 授权模型中控制这些子资源的访问权限，可以通过 / 分隔符来实现，以下是一个定义 pods 资资源logs 访问权限的 Role 定义样例
kind: Role apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1 metadata: namespace: default name: pod-and-pod-logs-reader rules: - apiGroups: [""] resources: ["pods/log"] verbs: ["get", "list"]
5，实践(创建用户管理dev空间)
devuser-csr.json
{ "CN": "devuser", #定义用户 "hosts": [ ], "key": { "algo": "rsa", "size": 2048 }, "names": [ { "C": "CN", "ST": "BeiJing", "L": "BeiJing", "O": "k8s", #定义Group组 "OU": "System" } ] }
下载证书工具
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64 mv cfssl_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd64 mv cfssljson_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssljson wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl-certinfo_linux-amd64 mv cfssl-certinfo_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl-certinfo
#创建使用定义的json文件 cfssl gencert -ca=ca.crt -ca-key=ca.key -profile=kubernetes /root/devuser-csr.json | cfssljson -bare devuser
设置集群参数
export KUBE_APISERVER="//172.20.0.113:6443" kubectl config set-cluster kubernetes \ --certificate-authority=/etc/kubernetes/ssl/ca.pem \ --embed-certs=true \ --server=${KUBE_APISERVER} \ --kubeconfig=devuser.kubeconfig
设置客户端认证参数
kubectl config set-credentials devuser \ --client-certificate=/etc/kubernetes/ssl/devuser.pem \ --client-key=/etc/kubernetes/ssl/devuser-key.pem \ --embed-certs=true \ --kubeconfig=devuser.kubeconfig
设置上下文参数
kubectl config set-context kubernetes \ --cluster=kubernetes \ --user=devuser \ --namespace=dev \ --kubeconfig=devuser.kubeconfig
设置默认上下文
kubectl config use-context kubernetes --kubeconfig=devuser.kubeconfig cp -f ./devuser.kubeconfig /root/.kube/config
创建rolebinding绑定
# 在名为”dev”的名字空间中将admin ClusterRole授予用户”devuser”
kubectl create rolebinding devuser-admin-binding --clusterrole=admin --user=devuser -- namespace=dev
6，准入控制（Admission Control）
准入控制是API Server的插件集合，通过添加不同的插件，实现额外的准入控制规则。甚至于API Server的一些主要的功能都需要通过 Admission Controllers 实现，比如 ServiceAccount 。
官方文档上有一份针对不同版本的准入控制器推荐列表，其中最新的 1.14 的推荐列表是：
NamespaceLifecycle,LimitRanger,ServiceAccount,DefaultStorageClass,DefaultTolerationSeconds,Mutat ingAdmissionWebhook,ValidatingAdmissionWebhook,ResourceQuota
列举几个插件的功能：
- NamespaceLifecycle： 防止在不存在的 namespace 上创建对象，防止删除系统预置 namespace，删除
- namespace 时，连带删除它的所有资源对象。
- LimitRanger：确保请求的资源不会超过资源所在 Namespace 的 LimitRange 的限制。
- ServiceAccount： 实现了自动化添加 ServiceAccount。
- ResourceQuota：确保请求的资源不会超过资源的 ResourceQuota 限制。
