k8s x509数字证书

证书生成方式

手动证书生成工具

在使用客户端证书认证的场景下，可以通过 easyrsa、 openssl 或 cfssl 等工具以手工方式生成证书。

证书 API

可以通过 certificates.k8s.io API 提供 x509 证书，用来做身份验证。

证书和证书签名请求

Kubernetes 证书和信任包（trust bundle）API 可以通过为 Kubernetes API 的客户端提供编程接口， 实现 X.509 凭据的自动化制备， 从而请求并获取证书颁发机构 (CA) 发布的 X.509 证书。

证书签名请求

CertificateSigningRequest（CSR）资源用来向指定的签名者申请证书签名， 在最终签名之前，申请可能被批准，也可能被拒绝。

请求签名流程

CertificateSigningRequest 资源类型允许客户端基于签名请求申请发放 X.509 证书。 CertificateSigningRequest 对象在 spec.request 字段中包含一个 PEM 编码的 PKCS#10 签名请求。 CertificateSigningRequest 使用 spec.signerName 字段标示签名者（请求的接收方）。 注意，spec.signerName 在 certificates.k8s.io/v1 之后的 API 版本是必填项。 在 Kubernetes v1.22 和以后的版本，客户可以可选地设置 spec.expirationSeconds 字段来为颁发的证书设定一个特定的有效期。该字段的最小有效值是 600，也就是 10 分钟。

创建完成的 CertificateSigningRequest，要先通过批准，然后才能签名。 根据所选的签名者，CertificateSigningRequest 可能会被 控制器自动批准。 否则，就必须人工批准， 人工批准可以使用 REST API（或 go 客户端），也可以执行 kubectl certificate approve 命令。 同样，CertificateSigningRequest 也可能被驳回， 这就相当于通知了指定的签名者，这个证书不能签名。

对于已批准的证书，下一步是签名。 对应的签名控制器首先验证签名条件是否满足，然后才创建证书。 签名控制器然后更新 CertificateSigningRequest， 将新证书保存到现有 CertificateSigningRequest 对象的 status.certificate 字段中。 此时，字段 status.certificate 要么为空，要么包含一个用 PEM 编码的 X.509 证书。 直到签名完成前，CertificateSigningRequest 的字段 status.certificate 都为空。

一旦 status.certificate 字段完成填充，请求既算完成， 客户端现在可以从 CertificateSigningRequest 资源中获取已签名的证书的 PEM 数据。 当然如果不满足签名条件，签名者可以拒签。

为了减少集群中遗留的过时的 CertificateSigningRequest 资源的数量， 一个垃圾收集控制器将会周期性地运行。 此垃圾收集器会清除在一段时间内没有改变过状态的 CertificateSigningRequests：
  已批准的请求：1 小时后自动删除
  已拒绝的请求：1 小时后自动删除
  已失败的请求：1 小时后自动删除
  挂起的请求：24 小时后自动删除
  所有请求：在颁发的证书过期后自动删除

证书签名鉴权

授权创建 CertificateSigningRequest 和检索 CertificateSigningRequest：
  verbs（动词）: create、get、list、watch, group（组）：certificates.k8s.io， resource（资源）：certificatesigningrequests

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: csr-creator
rules:
- apiGroups:
  - certificates.k8s.io
  resources:
  - certificatesigningrequests
  verbs:
  - create
  - get
  - list
  - watch

授权批准 CertificateSigningRequest：

  verbs（动词）: get、list、watch， group（组）：certificates.k8s.io， resource（资源）：certificatesigningrequests
  verbs（动词）: update， group（组）：certificates.k8s.io， resource（资源）：certificatesigningrequests/approval
  verbs（动词）：approve， group（组）：certificates.k8s.io， resource（资源）：signers， resourceName：<signerNameDomain>/<signerNamePath> 或 <signerNameDomain>/*

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: csr-approver
rules:
- apiGroups:
  - certificates.k8s.io
  resources:
  - certificatesigningrequests
  verbs:
  - get
  - list
  - watch
- apiGroups:
  - certificates.k8s.io
  resources:
  - certificatesigningrequests/approval
  verbs:
  - update
- apiGroups:
  - certificates.k8s.io
  resources:
  - signers
  resourceNames:
  - example.com/my-signer-name # example.com/* 可用于为 “example.com” 域中的所有签名者授权
  verbs:
  - approve

授权签名 CertificateSigningRequest：

  verbs（动词）：get、list、watch， group（组）：certificates.k8s.io， resource（资源）：certificatesigningrequests
  verbs（动词）：update， group（组）：certificates.k8s.io， resource（资源）：certificatesigningrequests/status
  verbs（动词）：sign， group（组）：certificates.k8s.io， resource（资源）：signers， resourceName：<signerNameDomain>/<signerNamePath> 或 <signerNameDomain>/*

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: csr-signer
rules:
- apiGroups:
  - certificates.k8s.io
  resources:
  - certificatesigningrequests
  verbs:
  - get
  - list
  - watch
- apiGroups:
  - certificates.k8s.io
  resources:
  - certificatesigningrequests/status
  verbs:
  - update
- apiGroups:
  - certificates.k8s.io
  resources:
  - signers
  resourceNames:
  - example.com/my-signer-name # example.com/* 可用于为 “example.com” 域中的所有签名者授权
  verbs:
  - sign

签名者

签名者抽象地代表可能签署或已签署安全证书的一个或多个实体。

任何要在特定集群以外提供的签名者都应该提供关于签名者工作方式的信息， 以便消费者可以理解这对于 CertifcateSigningRequests 和（如果启用的） ClusterTrustBundles 的意义。此类信息包括：
1. 信任分发：信任锚点（CA 证书或证书包）是如何分发的。
2. 许可的主体：当一个受限制的主体（subject）发送请求时，相应的限制和应对手段。
3. 许可的 x509 扩展：包括 IP subjectAltNames、DNS subjectAltNames、 Email subjectAltNames、URI subjectAltNames 等，请求一个受限制的扩展项时的应对手段。
4. 许可的密钥用途/扩展的密钥用途：当用途和签名者在 CSR 中指定的用途不同时， 相应的限制和应对手段。
5. 过期时间/证书有效期：过期时间由签名者确定、由管理员配置、还是由 CSR spec.expirationSeconds 字段指定等， 以及签名者决定的过期时间与 CSR spec.expirationSeconds 字段不同时的应对手段。
6. 允许/不允许 CA 位：当 CSR 包含一个签名者并不允许的 CA 证书的请求时，相应的应对手段。

一般来说，当 CSR 被批准通过，且证书被签名后，CertificateSigningRequest 的 status.certificate 字段将包含一个 PEM 编码的 X.509 证书。 有些签名者在 status.certificate 字段中存储多个证书。 在这种情况下，签名者的说明文档应当指明附加证书的含义。 例如，这是要在 TLS 握手时提供的证书和中继证书。

如果要让信任锚点（根证书）可用，应该将其与 CertificateSigningRequest 及其 status.certificate 字段分开处理。例如，你可以使用 ClusterTrustBundle。

PKCS#10 签名请求格式并没有一种标准的方法去设置证书的过期时间或者生命期。 因此，证书的过期时间或者生命期必须通过 CSR 对象的 spec.expirationSeconds 字段来设置。 当 spec.expirationSeconds 没有被指定时，内置的签名者默认使用 ClusterSigningDuration 配置选项 （kube-controller-manager 的命令行选项 --cluster-signing-duration），该选项的默认值设为 1 年。 当 spec.expirationSeconds 被指定时，spec.expirationSeconds 和 ClusterSigningDuration 中的最小值会被使用。

说明：
spec.expirationSeconds 字段是在 Kubernetes v1.22 中加入的。早期的 Kubernetes 版本并不认识该字段。 v1.22 版本之前的 Kubernetes API 服务器会在创建对象的时候忽略该字段。

Kubernetes 签名者

Kubernetes 提供了内置的签名者，每个签名者都有一个众所周知的 signerName:

kubernetes.io/kube-apiserver-client：签名的证书将被 API 服务器视为客户证书。 kube-controller-manager 不会自动批准它。
1. 信任分发：签名的证书将被 API 服务器视为客户端证书。CA 证书包不通过任何其他方式分发。
2. 许可的主体：没有主体限制，但审核人和签名者可以选择不批准或不签署。 某些主体，比如集群管理员级别的用户或组因部署和安装方式不同而不同， 所以批准和签署之前需要进行额外仔细审查。 用来限制 system:masters 的 CertificateSubjectRestriction 准入插件默认处于启用状态， 但它通常不是集群中唯一的集群管理员主体。
3. 许可的 x509 扩展：允许 subjectAltName 和 key usage 扩展，弃用其他扩展。
4. 许可的密钥用途：必须包含 ["client auth"]，但不能包含 ["digital signature", "key encipherment", "client auth"] 之外的键。
5. 过期时间/证书有效期：对于 kube-controller-manager 实现的签名者， 设置为 --cluster-signing-duration 选项和 CSR 对象的 spec.expirationSeconds 字段（如有设置该字段）中的最小值。
6. 允许/不允许 CA 位：不允许。

kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet: 签名的证书将被 kube-apiserver 视为客户证书。 kube-controller-manager 可以自动批准它。

1. 信任分发：签名的证书将被 API 服务器视为客户端证书。CA 证书包不通过任何其他方式分发。
2. 许可的主体：组织名必须是 ["system:nodes"]，用户名以 "system:node:" 开头
3. 许可的 x509 扩展：允许 key usage 扩展，禁用 subjectAltName 扩展，并删除其他扩展。
4. 许可的密钥用途：["key encipherment", "digital signature", "client auth"] 或 ["digital signature", "client auth"]。
5. 过期时间/证书有效期：对于 kube-controller-manager 实现的签名者， 设置为 --cluster-signing-duration 选项和 CSR 对象的 spec.expirationSeconds 字段（如有设置该字段）中的最小值。
6. 允许/不允许 CA 位：不允许。

kubernetes.io/kubelet-serving: 签名服务证书，该服务证书被 API 服务器视为有效的 kubelet 服务证书， 但没有其他保证。kube-controller-manager 不会自动批准它。
1. 信任分发：签名的证书必须被 kube-apiserver 认可，可有效的中止 kubelet 连接。CA 证书包不通过任何其他方式分发。
2. 许可的主体：组织名必须是 ["system:nodes"]，用户名以 "system:node:" 开头
3. 许可的 x509 扩展：允许 key usage、DNSName/IPAddress subjectAltName 等扩展， 禁止 EmailAddress、URI subjectAltName 等扩展，并丢弃其他扩展。 至少有一个 DNS 或 IP 的 SubjectAltName 存在。
4. 许可的密钥用途：["key encipherment", "digital signature", "server auth"] 或 ["digital signature", "server auth"]。
5. 过期时间/证书有效期：对于 kube-controller-manager 实现的签名者， 设置为 --cluster-signing-duration 选项和 CSR 对象的 spec.expirationSeconds 字段（如有设置该字段）中的最小值。
6. 允许/不允许 CA 位：不允许。

kubernetes.io/legacy-unknown: 不保证信任。Kubernetes 的一些第三方发行版可能会使用它签署的客户端证书。 稳定版的 CertificateSigningRequest API（certificates.k8s.io/v1 以及之后的版本）不允许将 signerName 设置为 kubernetes.io/legacy-unknown。 kube-controller-manager 不会自动批准这类请求。
1. 信任分发：没有。这个签名者在 Kubernetes 集群中没有标准的信任或分发。
2. 许可的主体：全部。
3. 许可的 x509 扩展：允许 subjectAltName 和 key usage 等扩展，并弃用其他扩展。
4. 许可的密钥用途：全部。
5. 过期时间/证书有效期：对于 kube-controller-manager 实现的签名者， 设置为 --cluster-signing-duration 选项和 CSR 对象的 spec.expirationSeconds 字段（如有设置该字段）中的最小值。
6. 允许/不允许 CA 位 - 不允许。

kube-controller-manager 为每个内置签名者实现了控制平面签名。 注意：所有这些故障仅在 kube-controller-manager 日志中报告。

说明：
spec.expirationSeconds 字段是在 Kubernetes v1.22 中加入的。早期的 Kubernetes 版本并不认识该字段。 v1.22 版本之前的 Kubernetes API 服务器会在创建对象的时候忽略该字段。

对于这些签名者，信任的分发发生在带外（out of band）。上述信任之外的任何信任都是完全巧合的。 例如，一些发行版可能会将 kubernetes.io/legacy-unknown 作为 kube-apiserver 的客户端证书， 但这个做法并不标准。 这些用途都没有以任何方式涉及到 ServiceAccount 中的 Secrets .data[ca.crt]。 此 CA 证书包只保证使用默认的服务（kubernetes.default.svc）来验证到 API 服务器的连接。

签名

控制平面签名者

Kubernetes 控制平面实现了每一个 Kubernetes 签名者， 每个签名者的实现都是 kube-controller-manager 的一部分。

说明：
在 Kubernetes v1.18 之前， kube-controller-manager 签名所有标记为 approved 的 CSR。
spec.expirationSeconds 字段是在 Kubernetes v1.22 中加入的。早期的 Kubernetes 版本并不认识该字段。 v1.22 版本之前的 Kubernetes API 服务器会在创建对象的时候忽略该字段。

基于 API 的签名者

REST API 的用户可以通过向待签名的 CSR 的 status 子资源提交更新请求来对 CSR 进行签名。

作为这个请求的一部分，status.certificate 字段应设置为已签名的证书。 此字段可包含一个或多个 PEM 编码的证书。

所有的 PEM 块必须具备 "CERTIFICATE" 标签，且不包含文件头。

当使用 JSON 或 YAML 格式时，此字段是 base-64 编码。 包含上述示例证书的 CertificateSigningRequest 如下所示：

apiVersion: certificates.k8s.io/v1
kind: CertificateSigningRequest
...
status:
  certificate: "LS0tLS1CRUdJTiBDRVJUSUZJQ0FURS0tLS0tCk1JS..."

批准和驳回

签名者基于 CertificateSigningRequest 签发证书之前， 通常会检查 CSR 的签发是否已被批准。

控制平面的自动化批准

kube-controller-manager 内建了一个证书批准者，其 signerName 为 kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet， 该批准者将 CSR 上用于节点凭据的各种权限委托给权威认证机构。 kube-controller-manager 将 SubjectAccessReview 资源发送（POST）到 API 服务器， 以便检验批准证书的授权。

使用 kubectl 批准或驳回

Kubernetes 管理员（拥有足够的权限）可以手工批准（或驳回）CertificateSigningRequests， 此操作使用 kubectl certificate approve 和 kubectl certificate deny 命令实现。

使用 kubectl 批准 CSR

# kubectl certificate approve <certificate-signing-request-name>

使用 kubectl 驳回 CSR

# kubectl certificate deny <certificate-signing-request-name>

使用 Kubernetes API 批准或驳回

REST API 的用户可以通过向待批准的 CSR 的 approval 子资源提交更新请求来批准 CSR。 例如，你可以编写一个 operator 来监视特定类型的 CSR，然后发送一个更新来批准它。

当你发出批准或驳回的指令时，根据你期望的状态来选择设置 Approved 或 Denied。

批准（Approved） CSR

apiVersion: certificates.k8s.io/v1
kind: CertificateSigningRequest
...
status:
  conditions:
  - lastUpdateTime: "2020-02-08T11:37:35Z"
    lastTransitionTime: "2020-02-08T11:37:35Z"
    message: Approved by my custom approver controller
    reason: ApprovedByMyPolicy # 你可以将此字段设置为任意字符串
    type: Approved

驳回（Denied）CSR

apiVersion: certificates.k8s.io/v1
kind: CertificateSigningRequest
...
status:
  conditions:
  - lastUpdateTime: "2020-02-08T11:37:35Z"
    lastTransitionTime: "2020-02-08T11:37:35Z"
    message: Denied by my custom approver controller
    reason: DeniedByMyPolicy # 你可以将此字段设置为任意字符串
    type: Denied

status.conditions.reason 字段通常设置为一个首字母大写的对机器友好的原因码; 这是一个命名约定，但你也可以随你的个人喜好设置。 如果你想添加一个供人类使用的注释，那就用 status.conditions.message 字段。

签发用户证书

创建私钥

# (umask 077; openssl genrsa -out user1.key 2048)

创建CSR文件

下面的脚本展示了如何生成 PKI 私钥和 CSR。 设置 CSR 的 CN 和 O 属性很重要。CN 是用户名，O 是该用户归属的组。

# openssl req -new -key user1.key -out user1.csr -subj "/CN=user1/O=developers"

获取CSR文件base64编码

# cat user1.csr | base64 | tr -d "\n"

创建证书签名请求

cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: certificates.k8s.io/v1
kind: CertificateSigningRequest
metadata:
  name: user1
  namespace: demoapp
spec:
  request: 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
  signerName: kubernetes.io/kube-apiserver-client
  expirationSeconds: 86400  # one day
  usages:
  - client auth
EOF

需要注意的几点:

usage 字段必须是 'client auth'

expirationSeconds 可以设置为更长（例如 864000 是十天）或者更短（例如 3600 是一个小时）

request 字段是 CSR 文件内容的 base64 编码值。

批准证书签名请求

获取 CSR 列表

# kubectl get csr -n demoapp

批准 CSR

# kubectl certificate approve user1 -n demoapp

获取证书

# kubectl get csr user1 -o jsonpath='{.status.certificate}'| base64 -d > user1.crt

参考文档

https://kubernetes.io/docs/reference/access-authn-authz/certificate-signing-requests

https://kubernetes.io/zh-cn/docs/tasks/administer-cluster/certificates/#certificates-api