TLS bootstrapping介绍

阅读本文章前，请先阅读一下本文参考的相关文档:

一、TLS bootstrapping

1、简介

当集群开启了 TLS 认证后，每个节点的 kubelet 组件都要使用由 apiserver 使用的 CA 签发的有效证书才能与 apiserver 通讯；此时如果节点多起来，为每个节点单独签署证书将是一件非常繁琐的事情；TLS bootstrapping 功能就是让 kubelet 先使用一个预定的低权限用户连接到 apiserver，然后向 apiserver 申请证书，kubelet 的证书由 apiserver 动态签署；在配合 RBAC 授权模型下的工作流程大致如下所示(不完整，下面细说)

2、TLS bootstrapping 相关术语

2.1、kubelet server

在官方 TLS bootstrapping 文档中多次提到过 kubelet server 这个东西；在经过翻阅大量文档以及 TLS bootstrapping 设计文档后得出，kubelet server 指的应该是 kubelet 的 10250 端口；

kubelet 组件在工作时，采用主动的查询机制，即定期请求 apiserver 获取自己所应当处理的任务，如哪些 pod 分配到了自己身上，从而去处理这些任务；同时 kubelet 自己还会暴露出两个本身 api 的端口，用于将自己本身的私有 api 暴露出去，这两个端口分别是 10250 与 10255；对于 10250 端口，kubelet 会在其上采用 TLS 加密以提供适当的鉴权功能；对于 10255 端口，kubelet 会以只读形式暴露组件本身的私有 api，并且不做鉴权处理

总结一下，就是说 kubelet 上实际上有两个地方用到证书，一个是用于与 API server 通讯所用到的证书，另一个是 kubelet 的 10250 私有 api 端口需要用到的证书

2.2、CSR 请求类型

kubelet 发起的 CSR 请求都是由 controller manager 来做实际签署的，对于 controller manager 来说，TLS bootstrapping 下 kubelet 发起的 CSR 请求大致分为以下三种

nodeclient: kubelet 以 O=system:nodes 和 CN=system:node:(node name) 形式发起的 CSR 请求
selfnodeclient: kubelet client renew 自己的证书发起的 CSR 请求(与上一个证书就有相同的 O 和 CN)
selfnodeserver: kubelet server renew 自己的证书发起的 CSR 请求

大白话加自己测试得出的结果: nodeclient 类型的 CSR 仅在第一次启动时会产生，selfnodeclient 类型的 CSR 请求实际上就是 kubelet renew 自己作为 client 跟 apiserver 通讯时使用的证书产生的，selfnodeserver 类型的 CSR 请求则是 kubelet 首次申请或后续 renew 自己的 10250 api 端口证书时产生的

3、TLS bootstrapping 具体引导过程

3.1、Kubernetes TLS 与 RBAC 认证

在说具体的引导过程之前先谈一下 TLS 和 RBAC，因为这两个事不整明白下面的都不用谈；

TLS 作用

众所周知 TLS 的作用就是对通讯加密，防止中间人窃听；同时如果证书不信任的话根本就无法与 apiserver 建立连接，更不用提有没有权限向 apiserver 请求指定内容

RBAC 作用

当 TLS 解决了通讯问题后，那么权限问题就应由 RBAC 解决(可以使用其他权限模型，如 ABAC)；RBAC 中规定了一个用户或者用户组(subject)具有请求哪些 api 的权限；在配合 TLS 加密的时候，实际上 apiserver 读取客户端证书的 CN 字段作为用户名，读取 O 字段作为用户组

从以上两点上可以总结出两点: 第一，想要与 apiserver 通讯就必须采用由 apiserver CA 签发的证书，这样才能形成信任关系，建立 TLS 连接；第二，可以通过证书的 CN、O 字段来提供 RBAC 所需的用户与用户组

3.2、kubelet 首次启动流程

看完上面的介绍，不知道有没有人想过，既然 TLS bootstrapping 功能是让 kubelet 组件去 apiserver 申请证书，然后用于连接 apiserver；那么第一次启动时没有证书如何连接 apiserver ?

这个问题实际上可以去查看一下 bootstrap.kubeconfig 和 token.csv 得到答案: 在 apiserver 配置中指定了一个 token.csv 文件，该文件中是一个预设的用户配置；同时该用户的 Token 和 apiserver 的 CA 证书被写入了 kubelet 所使用的 bootstrap.kubeconfig 配置文件中；这样在首次请求时，kubelet 使用 bootstrap.kubeconfig 中的 apiserver CA 证书来与 apiserver 建立 TLS 通讯，使用 bootstrap.kubeconfig 中的用户 Token 来向 apiserver 声明自己的 RBAC 授权身份，如下图所示：

在有些用户首次启动时，可能与遇到 kubelet 报 401 无权访问 apiserver 的错误；这是因为在默认情况下，kubelet 通过 bootstrap.kubeconfig 中的预设用户 Token 声明了自己的身份，然后创建 CSR 请求；但是不要忘记这个用户在我们不处理的情况下他没任何权限的，包括创建 CSR 请求；所以需要如下命令创建一个 ClusterRoleBinding，将预设用户 kubelet-bootstrap 与内置的 ClusterRole system:node-bootstrapper 绑定到一起，使其能够发起 CSR 请求

kubectl create clusterrolebinding kubelet-bootstrap \
  --clusterrole=system:node-bootstrapper \
  --user=kubelet-bootstrap

3.3、手动签发证书

在 kubelet 首次启动后，如果用户 Token 没问题，并且 RBAC 也做了相应的设置，那么此时在集群内应该能看到 kubelet 发起的 CSR 请求

出现 CSR 请求后，可以使用 kubectl 手动签发(允许) kubelet 的证书

当成功签发证书后，目标节点的 kubelet 会将证书写入到 --cert-dir= 选项指定的目录中；注意此时如果不做其他设置应当生成四个文件

而 kubelet 与 apiserver 通讯所使用的证书为 kubelet-client.crt，剩下的 kubelet.crt 将会被用于 kubelet server(10250) 做鉴权使用；注意，此时 kubelet.crt 这个证书是个独立于 apiserver CA 的自签 CA，并且删除后 kubelet 组件会重新生成它

4、TLS bootstrapping 证书自动续期

4.1、RBAC 授权

首先…首先好几次了…嗯，就是说 kubelet 所发起的 CSR 请求是由 controller manager 签署的；如果想要是实现自动续期，就需要让 controller manager 能够在 kubelet 发起证书请求的时候自动帮助其签署证书；那么 controller manager 不可能对所有的 CSR 证书申请都自动签署，这时候就需要配置 RBAC 规则，保证 controller manager 只对 kubelet 发起的特定 CSR 请求自动批准即可；在 TLS bootstrapping 官方文档中，针对上面 2.2 章节提出的 3 种 CSR 请求分别给出了 3 种对应的 ClusterRole，如下所示：

# A ClusterRole which instructs the CSR approver to approve a user requesting
# node client credentials.
kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: approve-node-client-csr
rules:
- apiGroups: ["certificates.k8s.io"]
  resources: ["certificatesigningrequests/nodeclient"]
  verbs: ["create"]
---
# A ClusterRole which instructs the CSR approver to approve a node renewing its
# own client credentials.
kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: approve-node-client-renewal-csr
rules:
- apiGroups: ["certificates.k8s.io"]
  resources: ["certificatesigningrequests/selfnodeclient"]
  verbs: ["create"]
---
# A ClusterRole which instructs the CSR approver to approve a node requesting a
# serving cert matching its client cert.
kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: approve-node-server-renewal-csr
rules:
- apiGroups: ["certificates.k8s.io"]
  resources: ["certificatesigningrequests/selfnodeserver"]
  verbs: ["create"]

RBAC 中 ClusterRole 只是描述或者说定义一种集群范围内的能力，这三个 ClusterRole 在 1.7 之前需要自己手动创建，在 1.8 后 apiserver 会自动创建前两个(1.8 以后名称有改变，自己查看文档)；以上三个 ClusterRole 含义如下：

approve-node-client-csr: 具有自动批准 nodeclient 类型 CSR 请求的能力
approve-node-client-renewal-csr: 具有自动批准 selfnodeclient 类型 CSR 请求的能力
approve-node-server-renewal-csr: 具有自动批准 selfnodeserver 类型 CSR 请求的能力

所以，如果想要 kubelet 能够自动续期，那么就应当将适当的 ClusterRole 绑定到 kubelet 自动续期时所所采用的用户或者用户组身上。

4.2、自动续期下的引导过程

在自动续期下引导过程与单纯的手动批准 CSR 有点差异，具体的引导流程地址如下

kubelet 读取 bootstrap.kubeconfig，使用其 CA 与 Token 向 apiserver 发起第一次 CSR 请求(nodeclient)
apiserver 根据 RBAC 规则自动批准首次 CSR 请求(approve-node-client-csr)，并下发证书(kubelet-client.crt)
kubelet 使用刚刚签发的证书(O=system:nodes, CN=system:node:NODE_NAME)与 apiserver 通讯，并发起申请 10250 server 所使用证书的 CSR 请求
apiserver 根据 RBAC 规则自动批准 kubelet 为其 10250 端口申请的证书(kubelet-server-current.crt)
证书即将到期时，kubelet 自动向 apiserver 发起用于与 apiserver 通讯所用证书的 renew CSR 请求和 renew 本身 10250 端口所用证书的 CSR 请求
apiserver 根据 RBAC 规则自动批准两个证书
kubelet 拿到新证书后关闭所有连接，reload 新证书，以后便一直如此

从以上流程我们可以看出，我们如果要创建 RBAC 规则，则至少能满足四种情况:

自动批准 kubelet 首次用于与 apiserver 通讯证书的 CSR 请求(nodeclient)
自动批准 kubelet 首次用于 10250 端口鉴权的 CSR 请求(实际上这个请求走的也是 selfnodeserver 类型 CSR)
自动批准 kubelet 后续 renew 用于与 apiserver 通讯证书的 CSR 请求(selfnodeclient)
自动批准 kubelet 后续 renew 用于 10250 端口鉴权的 CSR 请求(selfnodeserver)

基于以上四种情况，我们需要创建 3 个 ClusterRoleBinding，创建如下：

# 自动批准 kubelet 的首次 CSR 请求(用于与 apiserver 通讯的证书)
kubectl create clusterrolebinding node-client-auto-approve-csr --clusterrole=approve-node-client-csr --group=system:bootstrappers

# 自动批准 kubelet 后续 renew 用于与 apiserver 通讯证书的 CSR 请求
kubectl create clusterrolebinding node-client-auto-renew-crt --clusterrole=approve-node-client-renewal-csr --group=system:nodes

# 自动批准 kubelet 发起的用于 10250 端口鉴权证书的 CSR 请求(包括后续 renew)
kubectl create clusterrolebinding node-server-auto-renew-crt --clusterrole=approve-node-server-renewal-csr --group=system:nodes

4.3、开启自动续期

在 1.7 后，kubelet 启动时增加 --feature-gates=RotateKubeletClientCertificate=true,RotateKubeletServerCertificate=true 选项，则 kubelet 在证书即将到期时会自动发起一个 renew 自己证书的 CSR 请求；同时 controller manager 需要在启动时增加 --feature-gates=RotateKubeletServerCertificate=true 参数，再配合上面创建好的 ClusterRoleBinding，kubelet client 和 kubelet server 证才书会被自动签署；

注意，1.7 版本设置自动续期参数后，新的 renew 请求不会立即开始，而是在证书总有效期的 70%~90% 的时间时发起；而且经测试 1.7 版本即使自动签发了证书，kubelet 在不重启的情况下不会重新应用新证书；在 1.8 后 kubelet 组件在增加一个 --rotate-certificates 参数后，kubelet 才会自动重载新证书

4.3、证书过期问题

需要重复强调一个问题是: TLS bootstrapping 时的证书实际是由 kube-controller-manager 组件来签署的，也就是说证书有效期是 kube-controller-manager 组件控制的；所以在 1.7 版本以后(我查文档发现的从1.7开始有) kube-controller-manager 组件提供了一个 --experimental-cluster-signing-duration 参数来设置签署的证书有效时间；默认为 8760h0m0s，将其改为 87600h0m0s 即 10 年后再进行 TLS bootstrapping 签署证书即可。

5、TLS bootstrapping 总结以及详细操作

5.1、主要流程细节

kubelet 首次启动通过加载 bootstrap.kubeconfig 中的用户 Token 和 apiserver CA 证书发起首次 CSR 请求，这个 Token 被预先内置在 apiserver 节点的 token.csv 中，其身份为 kubelet-bootstrap 用户和 system:bootstrappers 用户组；想要首次 CSR 请求能成功(成功指的是不会被 apiserver 401 拒绝)，则需要先将 kubelet-bootstrap 用户和 system:node-bootstrapper 内置 ClusterRole 绑定；

对于首次 CSR 请求可以手动批准，也可以将 system:bootstrappers 用户组与 approve-node-client-csr ClusterRole 绑定实现自动批准(1.8 之前这个 ClusterRole 需要手动创建，1.8 后 apiserver 自动创建，并更名为 system:certificates.k8s.io:certificatesigningrequests:nodeclient)

默认签署的的证书只有 1 年有效期，如果想要调整证书有效期可以通过设置 kube-controller-manager 的 --experimental-cluster-signing-duration 参数实现，该参数默认值为 8760h0m0s

对于证书自动续签，需要通过协调两个方面实现；第一，想要 kubelet 在证书到期后自动发起续期请求，则需要在 kubelet 启动时增加 --feature-gates=RotateKubeletClientCertificate=true,RotateKubeletServerCertificate=true 来实现；第二，想要让 controller manager 自动批准续签的 CSR 请求需要在 controller manager 启动时增加 --feature-gates=RotateKubeletServerCertificate=true 参数，并绑定对应的 RBAC 规则；同时需要注意的是 1.7 版本的 kubelet 自动续签后需要手动重启 kubelet 以使其重新加载新证书，而 1.8 后只需要在 kublet 启动时附带 --rotate-certificates 选项就会自动重新加载新证书

5.2、证书及配置文件作用

token.csv

该文件为一个用户的描述文件，基本格式为 Token,用户名,UID,用户组；这个文件在 apiserver 启动时被 apiserver 加载，然后就相当于在集群内创建了一个这个用户；接下来就可以用 RBAC 给他授权；持有这个用户 Token 的组件访问 apiserver 的时候，apiserver 根据 RBAC 定义的该用户应当具有的权限来处理相应请求

bootstarp.kubeconfig

该文件中内置了 token.csv 中用户的 Token，以及 apiserver CA 证书；kubelet 首次启动会加载此文件，使用 apiserver CA 证书建立与 apiserver 的 TLS 通讯，使用其中的用户 Token 作为身份标识像 apiserver 发起 CSR 请求

kubelet-client.crt

该文件在 kubelet 完成 TLS bootstrapping 后生成，此证书是由 controller manager 签署的，此后 kubelet 将会加载该证书，用于与 apiserver 建立 TLS 通讯，同时使用该证书的 CN 字段作为用户名，O 字段作为用户组向 apiserver 发起其他请求

kubelet.crt

该文件在 kubelet 完成 TLS bootstrapping 后并且没有配置 --feature-gates=RotateKubeletServerCertificate=true 时才会生成；这种情况下该文件为一个独立于 apiserver CA 的自签 CA 证书，有效期为 1 年；被用作 kubelet 10250 api 端口

kubelet-server.crt

该文件在 kubelet 完成 TLS bootstrapping 后并且配置了 --feature-gates=RotateKubeletServerCertificate=true 时才会生成；这种情况下该证书由 apiserver CA 签署，默认有效期同样是 1 年，被用作 kubelet 10250 api 端口鉴权

kubelet-client-current.pem

这是一个软连接文件，当 kubelet 配置了 --feature-gates=RotateKubeletClientCertificate=true 选项后，会在证书总有效期的 70%~90% 的时间内发起续期请求，请求被批准后会生成一个 kubelet-client-时间戳.pem；kubelet-client-current.pem 文件则始终软连接到最新的真实证书文件，除首次启动外，kubelet 一直会使用这个证书同 apiserver 通讯

kubelet-server-current.pem

同样是一个软连接文件，当 kubelet 配置了 --feature-gates=RotateKubeletServerCertificate=true 选项后，会在证书总有效期的 70%~90% 的时间内发起续期请求，请求被批准后会生成一个 kubelet-server-时间戳.pem；kubelet-server-current.pem 文件则始终软连接到最新的真实证书文件，该文件将会一直被用于 kubelet 10250 api 端口鉴权

5.3、1.7 TLS bootstrapping 配置

apiserver 预先放置 token.csv，内容样例如下

6df3c701f979cee17732c30958745947,kubelet-bootstrap,10001,"system:bootstrappers"

允许 kubelet-bootstrap 用户创建首次启动的 CSR 请求

kubectl create clusterrolebinding kubelet-bootstrap \
  --clusterrole=system:node-bootstrapper \
  --user=kubelet-bootstrap

配置 kubelet 自动续期，RotateKubeletClientCertificate 用于自动续期 kubelet 连接 apiserver 所用的证书(kubelet-client-xxxx.pem)，RotateKubeletServerCertificate 用于自动续期 kubelet 10250 api 端口所使用的证书(kubelet-server-xxxx.pem)

KUBELET_ARGS="--cgroup-driver=cgroupfs \
              --cluster-dns=10.254.0.2 \
              --resolv-conf=/etc/resolv.conf \
              --experimental-bootstrap-kubeconfig=/etc/kubernetes/bootstrap.kubeconfig \
              --feature-gates=RotateKubeletClientCertificate=true,RotateKubeletServerCertificate=true \
              --kubeconfig=/etc/kubernetes/kubelet.kubeconfig \
              --fail-swap-on=false \
              --cert-dir=/etc/kubernetes/ssl \
              --cluster-domain=cluster.local. \
              --hairpin-mode=promiscuous-bridge \
              --serialize-image-pulls=false \
              --pod-infra-container-image=gcr.io/google_containers/pause-amd64:3.0"

配置 controller manager 自动批准相关 CSR 请求，如果不配置 --feature-gates=RotateKubeletServerCertificate=true 参数，则即使配置了相关的 RBAC 规则，也只会自动批准 kubelet client 的 renew 请求

KUBE_CONTROLLER_MANAGER_ARGS="--address=0.0.0.0 \
                              --service-cluster-ip-range=10.254.0.0/16 \
                              --feature-gates=RotateKubeletServerCertificate=true \
                              --cluster-name=kubernetes \
                              --cluster-signing-cert-file=/etc/kubernetes/ssl/k8s-root-ca.pem \
                              --cluster-signing-key-file=/etc/kubernetes/ssl/k8s-root-ca-key.pem \
                              --service-account-private-key-file=/etc/kubernetes/ssl/k8s-root-ca-key.pem \
                              --root-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/k8s-root-ca.pem \
                              --leader-elect=true \
                              --node-monitor-grace-period=40s \
                              --node-monitor-period=5s \
                              --pod-eviction-timeout=5m0s"

创建自动批准相关 CSR 请求的 ClusterRole

# A ClusterRole which instructs the CSR approver to approve a user requesting
# node client credentials.
kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: approve-node-client-csr
rules:
- apiGroups: ["certificates.k8s.io"]
  resources: ["certificatesigningrequests/nodeclient"]
  verbs: ["create"]
---
# A ClusterRole which instructs the CSR approver to approve a node renewing its
# own client credentials.
kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: approve-node-client-renewal-csr
rules:
- apiGroups: ["certificates.k8s.io"]
  resources: ["certificatesigningrequests/selfnodeclient"]
  verbs: ["create"]
---
# A ClusterRole which instructs the CSR approver to approve a node requesting a
# serving cert matching its client cert.
kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: approve-node-server-renewal-csr
rules:
- apiGroups: ["certificates.k8s.io"]
  resources: ["certificatesigningrequests/selfnodeserver"]
  verbs: ["create"]

将 ClusterRole 绑定到适当的用户组，以完成自动批准相关 CSR 请求

# 自动批准 system:bootstrappers 组用户 TLS bootstrapping 首次申请证书的 CSR 请求
kubectl create clusterrolebinding node-client-auto-approve-csr --clusterrole=approve-node-client-csr --group=system:bootstrappers

# 自动批准 system:nodes 组用户更新 kubelet 自身与 apiserver 通讯证书的 CSR 请求
kubectl create clusterrolebinding node-client-auto-renew-crt --clusterrole=approve-node-client-renewal-csr --group=system:nodes

# 自动批准 system:nodes 组用户更新 kubelet 10250 api 端口证书的 CSR 请求
kubectl create clusterrolebinding node-server-auto-renew-crt --clusterrole=approve-node-server-renewal-csr --group=system:nodes

一切就绪后启动 kubelet 组件即可，不过需要注意的是 1.7 版本 kubelet 不会自动重载 renew 的证书，需要自己手动重启

5.4、1.8 TLS bootstrapping 配置