60、高级Kubernetes：流量管理、多集群策略及更多

高级Kubernetes：流量管理、多集群策略及更多

1. Kubernetes集群安全加固最佳实践

保障Kubernetes集群的安全对于防止未经授权的访问、数据泄露和服务中断至关重要。通过实施强大的安全措施，可以保护敏感数据并确保集群的平稳运行。以下是一些保障集群安全的指导原则和最佳实践。

1.1 控制对Kubernetes API的访问

Kubernetes高度依赖其API，因此控制和限制对API的访问是保障集群安全的第一步：
- 使用TLS进行API流量加密 ：Kubernetes默认使用TLS对API通信进行加密。大多数安装方法会自动处理必要的证书。不过，管理员应注意任何未加密的本地端口，并采取相应的安全措施。
- API认证 ：选择适合需求的认证方法。对于小型单用户集群，简单的证书或静态Bearer令牌可能就足够了。而大型集群可能需要与现有的认证系统（如OIDC或LDAP）集成。
- API授权 ：认证之后，每个API请求都必须通过授权检查。Kubernetes使用基于角色的访问控制（RBAC）将用户或组与角色中定义的一组权限进行匹配。这些权限与资源上的特定操作相关联，并且可以限定在命名空间或整个集群范围内。为了提高安全性，建议同时使用Node和RBAC授权器。

1.2 控制对Kubelet的访问

Kubelet负责管理节点和容器，它暴露的HTTPS端点可以对节点进行重要控制。在生产环境中，务必启用Kubelet的认证和授权功能。
为了在生产环境中控制对Kubelet的访问，需要同时启用Kubelet API的认证和授权，以有效限制和分配权限。默认情况下，只允许通过Kubernetes API服务器执行的请求，这可以阻止未经授权的直接访问。此外，可以通过为用户和服务实施RBAC策略设置，定义与Kubelet相关的RBAC权限，并利用网络策略或防火墙规则限制Kubelet端点的网络暴露，进一步增强安全性。

1.3 运行时控制工作负载或用户能力

Kubernetes的授权是高级别的，但可以应用更精细的策略来限制资源使用和控制容器权限：
- 限制资源使用 ：使用资源配额和限制范围来控制命名空间可以使用的CPU、内存或磁盘空间等资源数量。这可以防止用户请求不合理的高或低资源值。
- 控制容器权限 ：Pod可以请求以特定用户身份或具有特定权限运行。大多数应用程序不需要root访问权限，因此建议将容器配置为以非root用户身份运行。
- 防止不必要的内核模块加载 ：为了防止攻击者利用漏洞，应从节点中阻止或卸载不必要的内核模块。还可以使用SELinux等Linux安全模块来防止容器加载模块。

1.4 限制网络访问

Kubernetes允许在多个层面控制网络访问：
- 网络策略 ：使用网络策略来限制其他命名空间中的哪些Pod可以访问本命名空间中的资源。还可以使用配额和限制范围来控制节点端口请求或负载均衡服务。
- 限制云元数据API访问 ：云平台通常会暴露可能包含敏感信息的元数据服务。使用网络策略限制对这些API的访问，并避免使用云元数据来存储机密信息。

1.5 保护集群组件

为了确保集群的安全，保护关键组件（如etcd）并确保适当的访问控制非常重要：
- 限制对etcd的访问 ：获取对etcd的访问权限可能会导致对整个集群的完全控制。使用强密码，并考虑将etcd服务器隔离在防火墙后面。例如，对于AWS上的Kubernetes集群，可以创建一个具有受限入站规则的安全组，只允许Kubernetes控制平面的IP地址在端口2379上访问etcd。还可以使用 --client-cert-auth 和 --trusted-ca-file 标志配置etcd，确保只有控制平面能够通过安全连接进行连接。
- 启用审计日志 ：审计日志记录API操作，以便后续分析。启用并保护这些日志有助于检测和响应潜在的安全威胁。Kubernetes集群管理团队需要在Kubernetes中定义自定义审计策略，用于创建、删除和更新事件，并将日志安全地存储在Elasticsearch等安全的日志记录工具中。以下是kube-apiserver Pod清单中日志配置的示例：

...
--audit-log-path=/var/log/audit.log
--audit-policy-file=/etc/kubernetes/audit-policy.yaml
...

• 定期轮换基础设施凭证 ：短期凭证可以降低未经授权访问的风险。定期轮换证书、令牌和其他敏感凭证，以维护安全性。例如，可以配置cert-manager（https://cert-manager.io/）自动续订TLS证书，并使用 RotateKubeletClientCertificate 和 RotateKubeletServerCertificate 标志配置kubelet定期刷新其自身的证书。
• 审查第三方集成 ：添加第三方工具或集成时，仔细审查其权限。在可能的情况下，将其访问权限限制在特定的命名空间，以降低风险。例如，安装Prometheus或Grafana等工具时，通过创建只读角色并使用角色绑定将该角色绑定到所需的命名空间，只允许读取访问，从而限制数据暴露的范围。
• 静态加密机密信息 ：Kubernetes支持对存储在etcd中的机密信息进行静态加密。这可以确保即使有人获取了etcd数据，也无法轻易查看敏感信息。在Kubernetes API服务器配置中配置 EncryptionConfig ，对存储在etcd中的机密信息使用AES加密，以便在etcd发生数据泄露时，数据能得到额外的加密保护。

1.6 Kubernetes安全加固最佳实践总结

类别	最佳实践
安全集群设置	启用RBAC并使用专用服务账户；保持Kubernetes组件更新；使用TLS保护API服务器访问
控制集群访问	使用强认证方法；实施严格的访问控制和最小权限原则；定期审计和审查访问权限
保护网络通信	加密内部通信；实施网络分段；使用安全的网络插件并强制执行网络策略
安全容器镜像	使用可信的容器注册表；扫描镜像以查找漏洞；强制执行Pod安全策略以限制容器权限
监控和记录集群活动	实施日志记录和监控解决方案；启用审计；定期审查日志以查找可疑活动
定期更新和打补丁	及时应用更新和补丁以解决漏洞；遵循严格的更新管理流程
持续教育和培训	对团队进行安全最佳实践教育；了解最新的安全发展动态；在组织内营造安全文化

2. Kubernetes故障排除

故障排除Kubernetes涉及诊断和解决影响集群和应用程序功能及稳定性的问题。常见错误可能包括Pod调度问题、容器崩溃、镜像拉取问题、网络问题或资源限制等。高效地识别和解决这些错误对于维护健康的Kubernetes环境至关重要。

2.1 获取资源详细信息

在Kubernetes中进行故障排除时， kubectl get 和 kubectl describe 命令是诊断和了解集群内资源状态不可或缺的工具。
- kubectl get ：该命令提供集群中各种资源（如Pod、服务、部署和节点）的高级概述。例如，如果怀疑某个Pod运行不正常，可以使用 kubectl get pods 列出所有Pod及其当前状态。该命令会显示Pod是正在运行、挂起还是遇到错误，帮助快速识别潜在问题。
- kubectl describe ：该命令可以深入了解特定资源的详细信息。它提供资源的全面描述，包括其配置、事件和最近的更改。例如，如果上一个命令中的某个Pod失败，可以使用 kubectl describe pod todo-app 获取关于其失败原因的详细信息。输出包括Pod的事件（如容器启动失败尝试或镜像拉取问题）以及详细的配置数据（如资源限制和环境变量），有助于找出配置错误或其他问题。

2.2 Kubernetes日志和事件用于故障排除

Kubernetes提供了强大的工具（如事件和审计日志）来有效监控和保护集群。
- 事件 ：事件是集群范围内的资源，提供关键操作（如Pod调度、容器重启和错误）的实时概述。这些事件有助于快速诊断问题并了解集群的状态。可以使用 kubectl get events 命令查看事件：

$ kubectl get events

该命令输出事件的时间线，帮助识别和解决问题。可以根据资源类型、命名空间或时间段过滤事件。例如，要查看与特定Pod相关的事件，可以使用以下命令：

$ kubectl get events --field-selector involvedObject.name=todo-pod

• 审计日志 ：审计日志对于确保Kubernetes环境的合规性和安全性至关重要。这些日志记录了对Kubernetes API服务器的详细API请求，包括用户、执行的操作和结果。此信息对于审计登录尝试或权限提升等活动至关重要。要启用审计日志，需要在API服务器中配置审计策略。详细信息请参考审计文档（https://kubernetes.io/docs/tasks/debug/debug-cluster/audit/）。
• kubectl logs ：在调试Kubernetes应用程序时， kubectl logs 命令是从Pod内特定容器检索和分析日志的重要工具。
  • 从Pod获取日志的基本命令如下：

$ kubectl logs todo-app

该命令从Pod中的第一个容器检索日志。如果Pod包含多个容器，需要指定容器名称：

$ kubectl logs todo-app -c app-container

- 要进行实时日志流式传输（类似于Linux中的`tail -f`），可以使用`-f`标志：

$ kubectl logs -f todo-app

- 如果Pod已重启，可以使用以下命令访问其先前实例的日志：

$ kubectl logs todo-app --previous

- 要根据标签过滤日志，可以将`kubectl`与`jq`等工具结合使用：

$ kubectl get pods -l todo -o json | jq -r '.items[] | .metadata.name' | xargs -I {} kubectl logs {}

为了在Kubernetes中有效管理日志，实施日志轮换以防止磁盘空间过度使用非常关键，确保旧日志在新日志生成时被存档或删除。使用结构化日志（如JSON格式）可以更方便地使用 jq 等工具解析和分析日志。此外，设置集中式日志系统（如Elasticsearch、Fluentd、Kibana（EFK）堆栈）可以聚合和高效搜索整个Kubernetes集群的日志，提供应用程序行为的全面视图。

2.3 kubectl explain - 内联帮助工具

kubectl explain 命令是Kubernetes中帮助理解Kubernetes资源结构和字段的强大工具。它提供特定资源类型的详细信息，允许直接从命令行探索API架构。这在编写或调试YAML清单时特别有用，可确保使用正确的字段和结构。
例如，要了解Pod资源，可以使用以下命令：

$ kubectl explain pod

该命令将显示Pod资源的高级概述，包括简要描述。要深入了解特定字段（如 spec 字段），可以扩展命令如下：

$ kubectl explain pod.spec

这将提供 spec 字段的详细解释，包括其嵌套字段和预期的数据类型，帮助更好地理解如何正确配置Kubernetes资源。

2.4 使用kubectl exec进行交互式故障排除

使用 kubectl exec 是在Kubernetes中对运行中的容器进行故障排除和交互的强大方法。该命令允许直接在容器内执行命令，对于调试、检查容器环境和进行快速修复非常有价值。无论是检查日志、查看配置文件还是诊断网络问题， kubectl exec 都提供了实时与应用程序交互的直接方式。
- 执行简单命令 ：可以从在容器内执行简单命令开始（可以使用 kubectl apply -f trouble/blog-portal.yaml 进行测试）：

$ kubectl get po -n trouble-ns
NAME                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
blog-675df44d5-gkrt2   1/1     Running   0          29m

例如，要列出容器的环境变量，可以使用以下命令：

$ kubectl exec blog-675df44d5-gkrt2 -- env

如果Pod包含多个容器，可以使用 -c 标志指定要交互的容器：

$ kubectl exec blog-675df44d5-gkrt2 -c blog -- env

• 打开交互式shell会话 ： kubectl exec 最常见的用途之一是在容器内打开交互式shell会话。这允许即时运行诊断命令，如检查日志文件或修改配置文件。可以启动交互式shell（如 /bin/sh 、 /bin/bash 等），示例如下：

$ kubectl exec -it blog-675df44d5-gkrt2 -n trouble-ns -- /bin/bash
root@blog-675df44d5-gkrt2:/app# whoami;hostname;uptime
root
blog-675df44d5-gkrt2
14:36:03 up 10:19,  0 user,  load average: 0.17, 0.07, 0.69
root@blog-675df44d5-gkrt2:/app#

其中， -i 表示交互式会话， -t 表示分配伪TTY。这种交互式会话在需要探索容器环境或按顺序运行多个命令来解决问题时特别有用。
- 文件复制 ：除了执行命令， kubectl exec 还支持使用 kubectl cp 在容器和本地环境之间复制文件。这在需要引入脚本或检索日志文件进行进一步分析时非常方便。例如，将文件从本地机器复制到容器的命令如下：

$ kubectl cp troubles/test.txt blog-675df44d5-gkrt2:/app/test.txt -n trouble-ns
$ kubectl exec -it blog-675df44d5-gkrt2 -n trouble-ns -- ls -l /app
total 8
-rw-r--r-- 1 root root 902 Aug 20 16:52 app.py
-rw-r--r-- 1 1000 1000  20 Aug 31 14:42 test.txt

将文件从容器复制到本地机器的命令如下：

$ kubectl cp blog-675df44d5-gkrt2:/app/app.py /tmp/app.py  -n trouble-ns

这种功能简化了本地环境和Kubernetes集群中运行的容器之间的文件传输过程，使故障排除和调试更加高效。

2.5 Kubernetes中的临时容器

临时容器是Kubernetes中一种特殊类型的容器，专为调试等临时、即时任务而设计。与常规容器不同，常规容器旨在在Pod中长期使用，而临时容器用于检查和故障排除，不会自动重启，也不保证有特定的资源。
这些容器可以添加到现有的Pod中以帮助诊断问题，当传统方法（如 kubectl exec ）无法满足需求时，它们特别有用。例如，如果Pod运行的是无调试工具的镜像，临时容器可以提供一个shell和其他实用工具（如 nslookup 、 curl 、MySQL客户端等）进行检查。临时容器通过特定的API处理程序进行管理，一旦设置就不能通过 kubectl edit 添加或修改。
假设在 ingress-demo 命名空间中有一个名为 video-service 的Pod和服务（部署详细信息请参考 ingress/video-portal.yaml 文件）。可以使用以下命令启动调试，利用 k8sutils 容器镜像：

$ kubectl debug -it pod/video-7d945d8c9f-wkxc5 --image=quay.io/iamgini/k8sutils:debian12 -c k8sutils -n ingress-demo
root@video-7d945d8c9f-wkxc5:/# nslookup video-service
Server:         10.96.0.10
Address:        10.96.0.10#53
Name:   video-service.ingress-demo.svc.cluster.local
Address: 10.109.3.177
root@video-7d945d8c9f-wkxc5:/# curl http://video-service:8080
    <!DOCTYPE html>
    <html>
    <head>
      <title>Welcome</title>
      <style>
        body {

通过以上介绍的各种方法和工具，可以更好地保障Kubernetes集群的安全，并在遇到问题时快速进行故障排除，确保集群和应用程序的稳定运行。

3. 临时容器的工作流程及优势

临时容器在Kubernetes故障排除中有着独特的工作流程和显著优势，下面通过mermaid流程图展示其工作流程，并详细说明优势。

graph LR
    A[发现Pod问题] --> B[确定需要临时容器]
    B --> C[选择合适的临时容器镜像]
    C --> D[通过API添加临时容器到Pod]
    D --> E[使用临时容器进行调试]
    E --> F{问题解决?}
    F -- 是 --> G[移除临时容器]
    F -- 否 --> E

临时容器的优势主要体现在以下几个方面：
- 灵活性 ：可以根据具体的调试需求选择不同的临时容器镜像，提供所需的工具和环境。
- 即时性 ：无需重新部署整个Pod，即可快速添加临时容器进行调试，节省时间。
- 安全性 ：临时容器不会影响Pod的正常运行，且不会自动重启，减少了对系统的潜在影响。

4. 故障排除方法总结与对比

为了更清晰地了解各种故障排除方法的特点和适用场景，下面通过表格进行总结对比。

故障排除方法	特点	适用场景
kubectl get	提供资源的高级概述，快速查看资源状态	初步判断资源是否正常运行，如查看Pod的运行状态
kubectl describe	深入了解资源的详细信息，包括配置和事件	分析资源出现问题的具体原因，如Pod失败的原因
kubectl logs	检索和分析容器的日志信息	排查应用程序内部的错误，如容器崩溃的原因
kubectl explain	帮助理解Kubernetes资源的结构和字段	编写或调试YAML清单时，确保使用正确的字段和结构
kubectl exec	直接在容器内执行命令，进行交互式调试	检查容器的环境、配置文件或诊断网络问题
临时容器	为调试提供额外的工具和环境	当Pod运行的镜像缺乏调试工具时，进行深入的故障排查

5. 安全加固与故障排除的关联

安全加固和故障排除是保障Kubernetes集群稳定运行的两个重要方面，它们之间存在着密切的关联。下面通过mermaid流程图展示两者的关联。

graph LR
    A[安全加固措施] --> B[减少安全漏洞和故障发生的概率]
    B --> C[降低故障排除的频率和难度]
    D[故障排除过程] --> E[发现潜在的安全问题]
    E --> A

安全加固可以有效减少安全漏洞和故障的发生，从而降低故障排除的频率和难度。而在故障排除过程中，也可能发现潜在的安全问题，为进一步的安全加固提供依据。例如，在排查网络问题时，可能发现网络策略配置不合理，从而进行相应的调整，加强网络安全。

6. 持续保障Kubernetes集群健康运行的建议

为了持续保障Kubernetes集群的健康运行，除了上述的安全加固和故障排除方法外，还可以采取以下建议：
- 建立监控体系 ：使用Prometheus、Grafana等工具对集群的各项指标进行实时监控，及时发现潜在的问题。
- 自动化运维 ：利用CI/CD工具实现自动化部署、升级和回滚，减少人为操作带来的风险。
- 定期演练 ：定期进行故障演练，提高团队的应急处理能力和故障排除效率。
- 知识共享 ：在团队内部建立知识共享机制，分享安全加固和故障排除的经验和技巧。

通过综合运用上述方法和建议，可以更好地保障Kubernetes集群的安全、稳定和高效运行，为企业的业务发展提供有力支持。