Kubernetes 之 二进制安装(二) 证书详解

前言

在进行二进制搭建K8S集群前，我们需要梳理通最磨人的一个点，就是各种各样的证书机制。这一步是在安装配置kubernetes的所有步骤中最容易出错也是最难排查问题的一步，而这却刚好是第一步，万事开头难，不要因为这点困难就望而却步。

一共有多少证书？

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

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。

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

官方文档参考：https://kubernetes.io/docs/tasks/tls/certificate-rotation/

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-key.pem

• admin.pem

• ca-key.pem

• ca.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、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
  

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。

下载安装cfssl命令行工具

[root@dong bin]# mkdir -p /usr/local/bin/cfssl
[root@dong bin]# wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64 
[root@dong bin]# wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd64 
[root@dong bin]# wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl-certinfo_linux-amd64 
[root@dong bin]# chmod +x cfssl*
[root@dong bin]# mv cfssl_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl
[root@dong bin]# mv cfssljson_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssljson
[root@dong bin]# mv cfssl-certinfo_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl-certinfo
[root@dong bin]# export PATH=/usr/local/bin:$PATH

创建CA证书

创建存放证书目录

[root@dong bin]# mkdir -p /opt/kubernetes/ssl/
[root@dong bin]# cd /opt/kubernetes/ssl/

创建证书配置文件

[root@dong ssl]# 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

[root@dong ssl]# 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

[root@dong ssl]# cfssl gencert -initca ca-csr.json | cfssljson -bare ca
[root@dong ssl]# 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

创建kubernetes证书签名请求文件 kubernetes-csr.json

[root@dong ssl]# vim kubernetes-csr.json
{
    "CN": "kubernetes",
    "hosts": [
      "127.0.0.1",
      "192.168.214.88",
      "192.168.214.89",
      "192.168.214.90",
      "192.168.214.200",
      "192.168.214.201",
      "192.168.214.202",
      "10.254.0.1",
      "192.168.214.210",
      "192.168.214.1/24",
      "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 10.254.0.1)

我这里的设置包括一个私有镜像仓库，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

[root@dong ssl]# cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=kubernetes kubernetes-csr.json | cfssljson -bare kubernetes
[root@dong ssl]# 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admin-csr.json

[root@dong ssl]# 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

生成admin证书和私钥

[root@dong ssl]# cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=kubernetes admin-csr.json | cfssljson -bare admin
[root@dong ssl]# 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 kube-proxy-csr.json

[root@dong ssl]# 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；

生成kube-proxy证书和私钥

[root@dong ssl]# cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=kubernetes  kube-proxy-csr.json | cfssljson -bare kube-proxy
[root@dong ssl]# ls |grep kube-proxy
kube-proxy.csr
kube-proxy-csr.json
kube-proxy-key.pem
kube-proxy.pem

经过上述操作，我们会用到如下文件：

[root@dong ssl]# 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

查看证书信息

[root@master1 ssl]# cfssl-certinfo -cert kubernetes.pem
{
  "subject": {
    "common_name": "kubernetes",
    "country": "CN",
    "organization": "k8s",
    "organizational_unit": "System",
    "locality": "BeiJing",
    "province": "BeiJing",
    "names": [
      "CN",
      "BeiJing",
      "BeiJing",
      "k8s",
      "System",
      "kubernetes"
    ]
  },
  "issuer": {
    "common_name": "kubernetes",
    "country": "CN",
    "organization": "k8s",
    "organizational_unit": "System",
    "locality": "BeiJing",
    "province": "BeiJing",
    "names": [
      "CN",
      "BeiJing",
      "BeiJing",
      "k8s",
      "System",
      "kubernetes"
    ]
  },
  "serial_number": "321233745860282370502438768971300435157761820875",
  "sans": [
    "192.168.214.1/24",
    "kubernetes",
    "kube-api.wangdong.com",
    "kubernetes.default",
    "kubernetes.default.svc",
    "kubernetes.default.svc.cluster",
    "kubernetes.default.svc.cluster.local",
    "127.0.0.1",
    "192.168.214.88",
    "192.168.214.89",
    "192.168.214.90",
    "192.168.214.200",
    "192.168.214.201",
    "192.168.214.202",
    "10.254.0.1",
    "192.168.214.210"
  ],
  "not_before": "2019-03-12T11:26:00Z",
  "not_after": "2029-03-09T11:26:00Z",
  "sigalg": "SHA256WithRSA",
  "authority_key_id": "CB:34:54:33:1F:F4:37:E:E5:94:B7:F5:8A:3D:F4:A4:43:43:E2:7F",
  "subject_key_id": "EC:31:D8:5F:4:E3:6F:C2:7F:DA:A8:F0:BD:A:B9:1F:56:7B:9A:DF",
  "pem": "-----BEGIN CERTIFICATE-----\nMIIExjCCA66gAwIBAgIUOESejeFvtUe1qwPcXOQdC9a6iMswDQYJKoZIhvcNAQEL\nBQAwZTELMAkGA1UEBhMCQ04xEDAOBgNVBAgTB0JlaUppbmcxEDAOBgNVBAcTB0Jl\naUppbmcxDDAKBgNVBAoTA2s4czEPMA0GA1UECxMGU3lzdGVtMRMwEQYDVQQDEwpr\ndWJlcm5ldGVzMB4XDTE5MDMxMjExMjYwMFoXDTI5MDMwOTExMjYwMFowZTELMAkG\nA1UEBhMCQ04xEDAOBgNVBAgTB0JlaUppbmcxEDAOBgNVBAcTB0JlaUppbmcxDDAK\nBgNVBAoTA2s4czEPMA0GA1UECxMGU3lzdGVtMRMwEQYDVQQDEwprdWJlcm5ldGVz\nMIIBIjANBgkqhkiG9w0BAQEFAAOCAQ8AMIIBCgKCAQEAteZIJbL5G2ZHEKajyVe7\nv4E1F9K9RzLTxghStRo808QOpVclOkFRHCi2qplrFrQmW4d/5AhJmofdoBuwIe/T\n3UgrhlPj1rWC5DhaG8J7+wOIp62yURslnXE+A+EsXQLXxeKxrbrodNwTmGJHXdGl\nv2pi0lyAgewdnhJHcYTvQbrDvbxpqYOHqKzJ3sqm1TSjnWSI9C1Hk/iF9xmjA4CG\nLDHocnxzNv+T/qSofv0yyGgA/HovlNxP+jSIwaWJu3QHhOxV3k2Bj7i0jSJoq3n9\nDl4co22Ge4SLiI2zPZayt9whzSyUoc5eloYJ1w7INcmfz2gOYl7L3godLg/gI5Eh\nNQIDAQABo4IBbDCCAWgwDgYDVR0PAQH/BAQDAgWgMB0GA1UdJQQWMBQGCCsGAQUF\nBwMBBggrBgEFBQcDAjAMBgNVHRMBAf8EAjAAMB0GA1UdDgQWBBTsMdhfBONvwn/a\nqPC9CrkfVnua3zAfBgNVHSMEGDAWgBTLNFQzH/Q3DuWUt/WKPfSkQ0PifzCB6AYD\nVR0RBIHgMIHdghAxOTIuMTY4LjIxNC4xLzI0ggprdWJlcm5ldGVzghVrdWJlLWFw\naS53YW5nZG9uZy5jb22CEmt1YmVybmV0ZXMuZGVmYXVsdIIWa3ViZXJuZXRlcy5k\nZWZhdWx0LnN2Y4Iea3ViZXJuZXRlcy5kZWZhdWx0LnN2Yy5jbHVzdGVygiRrdWJl\ncm5ldGVzLmRlZmF1bHQuc3ZjLmNsdXN0ZXIubG9jYWyHBH8AAAGHBMCo1liHBMCo\n1lmHBMCo1lqHBMCo1siHBMCo1smHBMCo1sqHBAr+AAGHBMCo1tIwDQYJKoZIhvcN\nAQELBQADggEBADtxejgpSQy913K9YyVLcS2k9bs41mZZbuokyrZiJeJ/CKZKzCo+\ngnF7P9/35IjkNlnYhlpUTTIJbnlQY8mDyKx1AaZOkzr+2djYRpg2vL3E7+CdRldQ\nUpNANSITolInKqboXev8SlLF9Mc/dWqgZzoifezuEkZ+c5KM6MY6MpMDVjVKNBxy\nJTd3bZNaPopop8IWxLAel5IQbzUhooswtzUxUslwKnYYC9tsKc5AgiXdehCnbGNf\nIr6wkK2OJBJStNPqarnpH6FZ6JxJ+qt59SdNhLixOT84HBR7ews/ZCYhQuPaJTy2\nwIb0XOtxILF3JMBNW/n21IyhF0vXsMdLg+o=\n-----END CERTIFICATE-----\n"
}

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。