管理集群中的 TLS 证书

Kubernetes 提供了一个 certificates.k8s.io API，允许你配置由你控制的证书颁发机构（CA）签名的 TLS 证书。这些 CA 和证书可被你的工作负载用来建立信任。

certificates.k8s.io API 使用一种类似于 ACME 草案的协议。

注意

使用 certificates.k8s.io API 创建的证书由专用 CA 签名。可以配置你的集群使用集群根 CA 来实现此目的，但是你永远不应该依赖于此。不要假设这些证书将针对集群根 CA 进行验证。

开始之前

你需要一个 Kubernetes 集群，并且必须配置 kubectl 命令行工具才能与你的集群通信。建议在至少有两个不充当控制平面主机的节点的集群上运行本教程。如果你还没有集群，可以使用 minikube 创建一个集群，也可以使用以下 Kubernetes 游乐场之一

你需要 cfssl 工具。你可以从 https://github.com/cloudflare/cfssl/releases 下载 cfssl。

此页面中的某些步骤使用 jq 工具。如果你没有 jq，可以通过你的操作系统的软件源安装它，或者从 https://jqlang.github.io/jq/ 获取它。

在集群中信任 TLS

信任在 Pod 中运行的应用程序的自定义 CA 通常需要一些额外的应用程序配置。你需要将 CA 证书捆绑包添加到 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已解析的证书添加到 tls.Config 结构中的 RootCAs 字段来实现。

注意

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），你也不应将该证书颁发机构用于验证内部 Kubernetes 端点以外的任何目的。内部 Kubernetes 端点的示例是默认命名空间中的名为 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，则应单独生成该 CA，并使用你的 Pod 有权读取的 ConfigMap 分发其 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。

注意

本教程使用 CFSSL：Cloudflare 的 PKI 和 TLS 工具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。你应该看到类似于以下内容的输出

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

此命令会生成两个文件；它会生成包含 PEM 编码的 PKCS#10 证书请求的 server.csr，以及包含 PEM 编码的待创建证书的密钥的 server-key.pem。

创建 CertificateSigningRequest 对象以发送到 Kubernetes API

生成 CSR 清单（以 YAML 格式），并将其发送到 API 服务器。你可以通过运行以下命令来实现

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，步骤 1 中创建的 server.csr 文件经过 base64 编码并存储在 .spec.request 字段中。你还要求使用“数字签名”、“密钥加密”和“服务器身份验证”密钥用法，并由示例 example.com/serving 签名者签名。必须请求特定的 signerName。有关更多信息，请查看支持的签名者名称的文档。

现在，CSR 应该在 API 中处于待处理状态可见。你可以通过运行以下命令来查看它

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:        [email protected]
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 CertificateSigningRequest

证书签名请求的批准要么通过自动化批准流程完成，要么由集群管理员一次性完成。如果你有权批准证书请求，则可以使用 kubectl 手动批准；例如

kubectl certificate approve my-svc.my-namespace

certificatesigningrequest.certificates.k8s.io/my-svc.my-namespace approved

现在你应该看到以下内容

kubectl get csr

NAME                  AGE   SIGNERNAME            REQUESTOR              REQUESTEDDURATION   CONDITION
my-svc.my-namespace   10m   example.com/serving   [email protected]   <none>              Approved

这意味着证书请求已获批准，并且正在等待请求的签名者对其进行签名。

签署 CertificateSigningRequest

接下来，你将扮演证书签名者的角色，颁发证书并将其上传到 API。

签名者通常会监视 CertificateSigningRequest API 中带有其 signerName 的对象，检查它们是否已被批准，为这些请求签署证书，并使用颁发的证书更新 API 对象状态。

创建证书颁发机构

你需要一个颁发机构来为新证书提供数字签名。

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

这会生成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 签名配置以及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

这将生成已签名的服务证书文件 ca-signed-server.pem。

上传已签名的证书

最后，在 API 对象的状态中填充已签名的证书

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 -

注意

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，你也可以将 JSON 输出保存到文件中，手动填充此字段，然后上传生成的文件。

批准 CSR 并上传已签名的证书后，运行

kubectl get csr

输出类似于

NAME                  AGE   SIGNERNAME            REQUESTOR              REQUESTEDDURATION   CONDITION
my-svc.my-namespace   20m   example.com/serving   [email protected]   <none>              Approved,Issued

下载证书并使用它

现在，作为请求用户，你可以下载颁发的证书，并通过运行以下命令将其保存到 server.crt 文件中

kubectl get csr my-svc.my-namespace -o jsonpath='{.status.certificate}' \
    | base64 --decode > server.crt

现在，你可以在 Secret 中填充 server.crt 和 server-key.pem，稍后你可以将其挂载到 Pod 中（例如，与提供 HTTPS 的 Web 服务器一起使用）。

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 中，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 CertificateSigningRequests

Kubernetes 管理员（具有适当的权限）可以使用 kubectl certificate approve 和 kubectl certificate deny 命令手动批准（或拒绝）CertificateSigningRequests。但是，如果你打算大量使用此 API，则可以考虑编写自动证书控制器。

注意

批准 CSR 的能力决定了你的环境中谁信任谁。不应广泛或轻易地授予批准 CSR 的能力。

在你授予 approve 权限之前，你应该确保你充分了解批准者承担的验证要求以及颁发特定证书的后果。

无论是使用如上 kubectl 的机器还是人，批准者的角色都是验证 CSR 是否满足两个要求

CSR 的主题控制用于签署 CSR 的私钥。这解决了第三方伪装成授权主体的威胁。在上面的示例中，此步骤将验证 Pod 是否控制用于生成 CSR 的私钥。
CSR 的主题被授权在请求的上下文中执行操作。这解决了不希望有的主题加入集群的威胁。在上面的示例中，此步骤将验证是否允许 Pod 参与请求的服务。

只有满足这两个要求，批准者才应批准 CSR，否则应拒绝 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面。

配置集群以提供签名

本页面假设已设置签名器来服务于证书 API。 Kubernetes 控制器管理器提供了签名器的默认实现。要启用它，请将 --cluster-signing-cert-file 和 --cluster-signing-key-file 参数传递给控制器管理器，并使用证书颁发机构密钥对的路径。

上次修改时间：2023 年 10 月 02 日晚上 11:58 PST：更新 jq 链接 (e822502654)