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Kubernetes调度流程与安全(七)

开发技术 开发技术 2周前 (09-17) 20次浏览

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:

  1. 首先是过滤掉不满足条件的节点,这个过程称为 predicate
  2. 然后对满足条件的节点按照优先级排序,这个是 priority
  3. 最后从中选择优先级最高的节点。

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 指定主机
podAffinity Pod In、NotIn、Exists、DoesNotExist Pod 与指定 Pod 在同一拓扑域
podAnitAffinity Pod In、NotIn、Exists、DoesNotExist 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:

                   Kubernetes调度流程与安全(七)

 

  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。

           Kubernetes调度流程与安全(七)

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="https://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 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。

 


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