kubenetes 集群二进制安装之创建TLS证书和密钥

ku benetes系统的各组件需要使用 TLS证书对通信进行加密，本文档使用CloudFlare 的 PKI 工具集 cfssl 来生成 Certificate Authority (CA) 和其它证书；
这一步是在安装配置kubernetes的所有步骤中最容易出错也最难于排查问题的一步，而这却刚好是第一步，万事开头难，不要因为这点困难就望而却步。

生成的 CA 证书和秘钥文件如下：
admin-key.pem
admin.pem
ca-key.pem
ca.pem
kube-proxy-key.pem
kube-proxy.pem
kubernetes-key.pem
kubernetes.pem

使用证书的组件如下：
etcd：使用 ca.pem、kubernetes-key.pem、kubernetes.pem
kube-apiserver：使用 ca.pem、kubernetes-key.pem、kubernetes.pem
kubelet：使用 ca.pem；
kube-proxy：使用 ca.pem、kube-proxy-key.pem、kube-proxy.pem；
kubectl：使用 ca.pem、admin-key.pem、admin.pem；
kube-controller-manager：使用 ca-key.pem、ca.pem

注意：以下操作都在master01这台主机上执行，证书只需要创建一次即可，以后在向集群中添加新节点时只要将 /etc/kubernetes/ssl目录下的证书拷贝到新节点上即可。

一，安装cfssl
直接使用二进制源码包安装

wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd64
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl-certinfo_linux-amd64
chmod +x cfssl*
mv cfssl_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl
mv cfssljson_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssljson
mv cfssl-certinfo_linux-amd64 /usr/local/bin/cfssl-certinfo
export PATH=/usr/local/bin:$PATH

二，创建CA证书
首先创建证书放置目录：mkdir -p /etc/kubernetes/ssl/并进入这个目录
1，创建证书配置文件

vim ca-config.json
{
  "signing": {
    "default": {
      "expiry": "87600h"
    },
    "profiles": {
      "kubernetes": {
        "usages": [
            "signing",
            "key encipherment",
            "server auth",
            "client auth"
        ],
        "expiry": "87600h"
      }
    }
  }
}

字段说明：
ca-config.json：可以定义多个 profiles，分别指定不同的过期时间、使用场景等参数；后续在签名证书时使用某个 profile；
signing：表示该证书可用于签名其它证书；生成的 ca.pem 证书中 CA=TRUE；
server auth：表示client可以用该 CA 对server提供的证书进行验证；
client auth：表示server可以用该CA对client提供的证书进行验证
2，创建 CA 证书签名请求

vim ca-csr.json
{
  "CN": "kubernetes",
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "ST": "BeiJing",
      "L": "BeiJing",
      "O": "k8s",
      "OU": "System"
    }
  ],
    "ca": {
       "expiry": "87600h"
    }
}

字段说明：
“CN”：Common Name，kube-apiserver 从证书中提取该字段作为请求的用户名 (User Name)；浏览器使用该字段验证网站是否合法；
“O”：Organization，kube-apiserver 从证书中提取该字段作为请求用户所属的组 (Group)；
3，生成 CA 证书和私钥：

cfssl gencert -initca ca-csr.json | cfssljson -bare ca

三，创建 kubernetes 证书
1，创建 kubernetes 证书签名请求文件 kubernetes-csr.json

{
    "CN": "kubernetes",
    "hosts": [
      "127.0.0.1",
      "10.1.14.21",
      "10.1.14.22",
      "10.1.14.23",
      "10.1.14.24",
      "10.254.0.1",
      "10.1.14.27",
      "kubernetes",
      "kube-api.21yunwei.com",
      "kubernetes.default",
      "kubernetes.default.svc",
      "kubernetes.default.svc.cluster",
      "kubernetes.default.svc.cluster.local"
    ],
    "key": {
        "algo": "rsa",
        "size": 2048
    },
    "names": [
        {
            "C": "CN",
            "ST": "BeiJing",
            "L": "BeiJing",
            "O": "k8s",
            "OU": "System"
        }
    ]
}

字段说明：
如果 hosts 字段不为空则需要指定授权使用该证书的 IP 或域名列表，由于该证书后续被 etcd 集群和 kubernetes master 集群使用，所以上面分别指定了 etcd 集群、kubernetes master 集群的主机 IP 和 kubernetes 服务的服务 IP（一般是 kube-apiserver 指定的 service-cluster-ip-range 网段的第一个IP，如 10.254.0.1）。
这是最小化安装的kubernetes集群，包括一个私有镜像仓库，三个节点的kubernetes集群，以上物理节点的IP也可以更换为主机名。
2，生成 kubernetes 证书和私钥

cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=kubernetes kubernetes-csr.json | cfssljson -bare kubernetes

四，创建admin证书
1，创建 admin 证书签名请求文件 admin-csr.json

{
  "CN": "admin",
  "hosts": [],
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "ST": "BeiJing",
      "L": "BeiJing",
      "O": "system:masters",
      "OU": "System"
    }
  ]
}

说明：
（1）后续 kube-apiserver 使用 RBAC 对客户端(如 kubelet、kube-proxy、Pod)请求进行授权；
（2）kube-apiserver 预定义了一些 RBAC 使用的 RoleBindings，如 cluster-admin 将 Group system:masters 与 Role cluster-admin 绑定，该 Role 授予了调用kube-apiserver 的所有 API的权限；
（3）O指定该证书的 Group 为 system:masters，kubelet 使用该证书访问 kube-apiserver 时，由于证书被 CA 签名，所以认证通过，同时由于证书用户组为经过预授权的 system:masters，所以被授予访问所有 API 的权限；
注意：这个admin 证书，是将来生成管理员用的kube config 配置文件用的，现在我们一般建议使用RBAC 来对kubernetes 进行角色权限控制， kubernetes 将证书中的CN 字段作为User， O 字段作为 Group
2，生成证书和私钥

cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=kubernetes admin-csr.json | cfssljson -bare admin

五，创建 kube-proxy 证书
1，创建 kube-proxy 证书签名请求文件 kube-proxy-csr.json

{
  "CN": "system:kube-proxy",
  "hosts": [],
  "key": {
    "algo": "rsa",
    "size": 2048
  },
  "names": [
    {
      "C": "CN",
      "ST": "BeiJing",
      "L": "BeiJing",
      "O": "k8s",
      "OU": "System"
    }
  ]
}

CN 指定该证书的 User 为 system:kube-proxy；
kube-apiserver 预定义的 RoleBinding system:node-proxier 将User system:kube-proxy 与 Role system:node-proxier 绑定，该 Role 授予了调用 kube-apiserver Proxy 相关 API 的权限；

2，生成证书和私钥

cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=kubernetes  kube-proxy-csr.json | cfssljson -bare kube-proxy

六，检验和分发证书
1，检验证书
经过上述操作，会生成如下文件：

admin-key.pem
admin.pem
ca-key.pem
ca.pem
kube-proxy-key.pem
kube-proxy.pem
kubernetes-key.pem
kubernetes.pem

可以通过命令cfssl-certinfo 来检验一下，以kubenetes.pem为例：

cfssl-certinfo -cert kubernetes.pem

确认 Issuer 字段的内容和 ca-csr.json 一致；
确认 Subject 字段的内容和 kubernetes-csr.json 一致；
确认 X509v3 Subject Alternative Name 字段的内容和 kubernetes-csr.json 一致；
确认 X509v3 Key Usage、Extended Key Usage 字段的内容和 ca-config.json 中 kubernetes profile 一致；

2，分发证书
将这些文件分发到集群中其他节点机器：

for host in master02 etcd01  etcd02  node01 node02 mastercluster  ;do scp *.pem   $host:/etc/kubernetes/ssl  ;done

注意 /etc/kubernetes/ssl这个目录需从其他机器存在，我这里使用salt已经创建好这个目录。
分别进去其他机器检查该目录下的证书和私钥文件是否完整。完整的话，则tls证书创建完毕。

参考文章：创建TLS证书和秘钥

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