使用 Kubernetes CSR 自定义 CA 集成

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这个特性需要 Kubernetes 版本 >= 1.18。

此任务演示如何使用集成了 Kubernetes CSR API 的自定义证书颁发机构来制备工作负载证书，不同的工作负载可以获取不同的证书签名者签名的证书， 每个证书签名者本质上是一个不同的 CA。可以预期的是，如果工作负载的证书是同一个证书签名者颁发的， 则这些工作负载可以与 MTLS 通信，而不同签名者签名的工作负载则不能这样。这个特性利用了 Chiron，这是一个与 Istiod 关联的轻量级组件，使用 Kubernetes CSR API 签署证书。

在本例中，我们使用开源 cert-manager。Cert-manager 从 1.4 版本开始已增加了对 Kubernetes CertificateSigningRequests 实验性支持。

在 Kubernetes 集群中部署自定义 CA 控制器

  1. 按照安装文档部署 cert-manager。

    $ helm repo add jetstack https://charts.jetstack.io
$ helm repo update
$ helm install cert-manager jetstack/cert-manager --namespace cert-manager --create-namespace --set featureGates="ExperimentalCertificateSigningRequestControllers=true" --set installCRDs=true

  2. 为 cert-manager 创建三个自签名的集群签发器：istio-system、foo 和 bar。 注：也可以使用命名空间签发器和其他类型的签发器。

    $ cat <<EOF > ./selfsigned-issuer.yaml
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: ClusterIssuer
metadata:
  name: selfsigned-bar-issuer
spec:
  selfSigned: {}
---
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: Certificate
metadata:
  name: bar-ca
  namespace: cert-manager
spec:
  isCA: true
  commonName: bar
  secretName: bar-ca-selfsigned
  issuerRef:
    name: selfsigned-bar-issuer
    kind: ClusterIssuer
    group: cert-manager.io
---
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: ClusterIssuer
metadata:
  name: bar
spec:
  ca:
    secretName: bar-ca-selfsigned
---
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: ClusterIssuer
metadata:
  name: selfsigned-foo-issuer
spec:
  selfSigned: {}
---
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: Certificate
metadata:
  name: foo-ca
  namespace: cert-manager
spec:
  isCA: true
  commonName: foo
  secretName: foo-ca-selfsigned
  issuerRef:
    name: selfsigned-foo-issuer
    kind: ClusterIssuer
    group: cert-manager.io
---
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: ClusterIssuer
metadata:
  name: foo
spec:
  ca:
    secretName: foo-ca-selfsigned
---
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: ClusterIssuer
metadata:
  name: selfsigned-istio-issuer
spec:
  selfSigned: {}
---
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: Certificate
metadata:
  name: istio-ca
  namespace: cert-manager
spec:
  isCA: true
  commonName: istio-system
  secretName: istio-ca-selfsigned
  issuerRef:
    name: selfsigned-istio-issuer
    kind: ClusterIssuer
    group: cert-manager.io
---
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: ClusterIssuer
metadata:
  name: istio-system
spec:
  ca:
    secretName: istio-ca-selfsigned
EOF
$ kubectl apply -f ./selfsigned-issuer.yaml

为每个集群创建验证秘钥

$ kubectl get secret -n cert-manager -l controller.cert-manager.io/fao=true
NAME                  TYPE                DATA   AGE
bar-ca-selfsigned     kubernetes.io/tls   3      3m36s
foo-ca-selfsigned     kubernetes.io/tls   3      3m36s
istio-ca-selfsigned   kubernetes.io/tls   3      3m38s

导出每个集群签发器的根证书

$ export ISTIOCA=$(kubectl get clusterissuers istio-system -o jsonpath='{.spec.ca.secretName}' | xargs kubectl get secret -n cert-manager -o jsonpath='{.data.ca\.crt}' | base64 -d | sed 's/^/        /')
$ export FOOCA=$(kubectl get clusterissuers foo -o jsonpath='{.spec.ca.secretName}' | xargs kubectl get secret -n cert-manager -o jsonpath='{.data.ca\.crt}' | base64 -d | sed 's/^/        /')
$ export BARCA=$(kubectl get clusterissuers bar -o jsonpath='{.spec.ca.secretName}' | xargs kubectl get secret -n cert-manager -o jsonpath='{.data.ca\.crt}' | base64 -d | sed 's/^/        /')

使用默认的证书签名者信息部署 Istio

  1. 使用具有以下配置的 istioctl 在集群上部署 Istio，ISTIO_META_CERT_SIGNER 是工作负载所用的默认证书签名者。

    $ cat <<EOF > ./istio.yaml
apiVersion: install.istio.io/v1alpha1
kind: IstioOperator
spec:
  values:
    pilot:
      env:
        EXTERNAL_CA: ISTIOD_RA_KUBERNETES_API
  meshConfig:
    defaultConfig:
      proxyMetadata:
        ISTIO_META_CERT_SIGNER: istio-system
    caCertificates:
    - pem: |
$ISTIOCA
      certSigners:
      - clusterissuers.cert-manager.io/istio-system
    - pem: |
$FOOCA
      certSigners:
      - clusterissuers.cert-manager.io/foo
    - pem: |
$BARCA
      certSigners:
      - clusterissuers.cert-manager.io/bar
  components:
    pilot:
      k8s:
        env:
        - name: CERT_SIGNER_DOMAIN
          value: clusterissuers.cert-manager.io
        - name: PILOT_CERT_PROVIDER
          value: k8s.io/clusterissuers.cert-manager.io/istio-system
        overlays:
          - kind: ClusterRole
            name: istiod-clusterrole-istio-system
            patches:
              - path: rules[-1]
                value: |
                  apiGroups:
                  - certificates.k8s.io
                  resourceNames:
                  - clusterissuers.cert-manager.io/foo
                  - clusterissuers.cert-manager.io/bar
                  - clusterissuers.cert-manager.io/istio-system
                  resources:
                  - signers
                  verbs:
                  - approve
EOF
$ istioctl install --skip-confirmation -f ./istio.yaml

  2. 创建 bar 和 foo 命名空间。

    $ kubectl create ns bar
$ kubectl create ns foo

  3. 在 bar 命名空间中部署 proxyconfig-bar.yaml，以便在 bar 命名空间中为工作负载定义证书签名者。

    $ cat <<EOF > ./proxyconfig-bar.yaml
apiVersion: networking.istio.io/v1beta1
kind: ProxyConfig
metadata:
  name: barpc
  namespace: bar
spec:
  environmentVariables:
    ISTIO_META_CERT_SIGNER: bar
EOF
$ kubectl apply  -f ./proxyconfig-bar.yaml

  4. 在 foo 命名空间中部署 proxyconfig-foo.yaml，以便在 foo 命名空间中为工作负载定义证书签名者。

    $ cat <<EOF > ./proxyconfig-foo.yaml
apiVersion: networking.istio.io/v1beta1
kind: ProxyConfig
metadata:
  name: foopc
  namespace: foo
spec:
  environmentVariables:
    ISTIO_META_CERT_SIGNER: foo
EOF
$ kubectl apply  -f ./proxyconfig-foo.yaml

  5. 在 foo 和 bar 命名空间中部署 httpbin 和 sleep 样例应用程序。

    $ kubectl label ns foo istio-injection=enabled
$ kubectl label ns bar istio-injection=enabled
$ kubectl apply -f samples/httpbin/httpbin.yaml -n foo
$ kubectl apply -f samples/sleep/sleep.yaml -n foo
$ kubectl apply -f samples/httpbin/httpbin.yaml -n bar

验证相同命名空间内 httpbin 和 sleep 之间的网络连通性

在部署工作负载时，它们会发送具有相关签名者信息的 CSR 请求。Istiod 将这些 CSR 请求转发到自定义 CA 进行签名。 自定义 CA 将使用正确的集群签发器在证书上签名。foo 命名空间下的工作负载将使用 foo 集群签发器， 而 bar 命名空间下的工作负载将使用 bar 集群签发器。要验证它们已经被正确的集群签发器进行了真正的签名， 我们可以验证相同命名空间下的工作负载可以通信，而不同命名空间下的工作负载不能通信。

  1. 将 SLEEP_POD_FOO 环境变量设置为 sleep Pod 的名称。

    $ export SLEEP_POD_FOO=$(kubectl get pod -n foo -l app=sleep -o jsonpath={.items..metadata.name})

  2. 检查 foo 命名空间中 sleep 和 httpbin 服务之间的网络连通性。

    $ kubectl exec "$SLEEP_POD_FOO" -n foo -c sleep -- curl http://httpbin.foo:8000/html
<!DOCTYPE html>
<html>
  <head>
  </head>
  <body>
      <h1>Herman Melville - Moby-Dick</h1>

      <div>
        <p>
          Availing himself of the mild...
        </p>
      </div>
  </body>

  3. 检查 foo 命名空间中的 sleep 服务与 bar 命名空间中的 httpbin 服务之间的网络连通性。

    $ kubectl exec "$SLEEP_POD_FOO" -n foo -c sleep -- curl http://httpbin.bar:8000/html
upstream connect error or disconnect/reset before headers. reset reason: connection failure, transport failure reason: TLS error: 268435581:SSL routines:OPENSSL_internal:CERTIFICATE_VERIFY_FAILED

清理

  • 移除 istio-system、foo 和 bar 命名空间：

    $ kubectl delete ns foo
$ kubectl delete ns bar
$ istioctl uninstall --purge -y
$ helm delete -n cert-manager cert-manager
$ kubectl delete ns istio-system cert-manager
$ unset ISTIOCA FOOCA BARCA
$ rm -rf istio.yaml proxyconfig-foo.yaml proxyconfig-bar.yaml selfsigned-issuer.yaml

使用此特性的原因

  • 自定义 CA 集成 - 通过在 Kubernetes CSR 请求中指定签名者名称，此特性允许 Istio 使用 Kubernetes CSR API 接口与自定义证书颁发机构集成。这确实需要自定义 CA 来实现一个 Kubernetes 控制器来观察 CertificateSigningRequest 和 Certificate 资源并对其采取行动。

  • 更好的多租户 - 通过为不同工作负载指定不同的证书签名者，不同租户的工作负载所用的证书可以由不同的 CA 进行签名。

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