接触Kubernetes以来，我经常看到Kubernetes在不同的地方使用了证书（Certificate)，在Kubernetes安装和组件启动参数中也需要配置大量证书相关的参数。但是Kubernetes的文档在解释这些证书的工作机制方面做得并不是太好。经过大量的相关阅读和分析工作后，我基本弄清楚了Kubernetes中证书的使用方式。在本文中，我将试图以一种比官方文档更容易理解的方式来说明Kubernetes证书相关的工作机制，如果你也存在这方面的疑惑，希望这篇文章对你有所帮助。
Kubernetes组件的认证方式
首先让我们来看一下Kubernetes中的组件：在Kubernetes中包含多个以独立进程形式运行的组件，这些组件之间通过HTTP/gRPC相互通信，以协同完成集群中应用的部署和管理工作。
从图中可以看到，Kubernetes控制平面中包含了etcd，kube-api-server，kube-scheduler，kube-controller-manager等组件，这些组件会相互进行远程调用，例如kube-api-server会调用etcd接口存储数据，kube-controller-manager会调用kube-api-server接口查询集群中的对象状态；同时，kube-api-server也会和在工作节点上的kubelet和kube-proxy进行通信，以在工作节点上部署和管理应用。
以上这些组件之间的相互调用都是通过网络进行的。在进行网络通信时，通信双方需要验证对方的身份，以避免恶意第三方伪造身份窃取信息或者对系统进行攻击。为了相互验证对方的身份，通信双方中的任何一方都需要做下面两件事情：
向对方提供标明自己身份的一个证书
验证对方提供的身份证书是否合法，是否伪造的？
在Kubernetes中使用了数字证书来提供身份证明，我们可以把数字证书简单理解为我们在日常生活中使用的“身份证”，上面标注了证书拥有者的身份信息，例如名称，所属组织机构等。为了保证证书的权威性，会采用一个通信双方都信任的CA（证书机构，CertificateAuthority）来颁发证书。这就类似于现实生活中颁发“身份证”的政府机构。数字证书中最重要的内容实际上是证书拥有者的公钥，该公钥代表了用户的身份。
在Kubernetes的组件之间进行通信时，数字证书的验证是在协议层面通过TLS完成的，除了需要在建立通信时提供相关的证书和密钥外，在应用层面并不需要进行特殊处理。采用TLS进行验证有两种方式：
服务器单向认证：只需要服务器端提供证书，客户端通过服务器端证书验证服务的身份，但服务器并不验证客户端的身份。这种情况一般适用于对Internet开放的服务，例如搜索引擎网站，任何客户端都可以连接到服务器上进行访问，但客户端需要验证服务器的身份，以避免连接到伪造的恶意服务器。
双向TLS认证：除了客户端需要验证服务器的证书，服务器也要通过客户端证书验证客户端的身份。这种情况下服务器提供的是敏感信息，只允许特定身份的客户端访问。
在Kubernetes中，各个组件提供的接口中包含了集群的内部信息。如果这些接口被非法访问，将影响集群的安全，因此组件之间的通信需要采用双向TLS认证。即客户端和服务器端都需要验证对方的身份信息。在两个组件进行双向认证时，会涉及到下面这些证书相关的文件：
服务器端证书：服务器用于证明自身身份的数字证书，里面主要包含了服务器端的公钥以及服务器的身份信息。
服务器端私钥：服务器端证书中包含的公钥所对应的私钥。公钥和私钥是成对使用的，在进行TLS验证时，服务器使用该私钥来向客户端证明自己是服务器端证书的拥有者。
客户端证书：客户端用于证明自身身份的数字证书，里面主要包含了客户端的公钥以及客户端的身份信息。
客户端私钥：客户端证书中包含的公钥所对应的私钥，同理，客户端使用该私钥来向服务器端证明自己是客户端证书的拥有者。
服务器端CA根证书：签发服务器端证书的CA根证书，客户端使用该CA根证书来验证服务器端证书的合法性。
客户端CA根证书：签发客户端证书的CA根证书，服务器端使用该CA根证书来验证客户端证书的合法性。
如果你需要了解更多关于TLS认证的原理，可以阅读一下medium上的原文。
Kubernetes中使用到的CA和证书
Kubernetes中使用了大量的证书，本文不会试图覆盖到所有可能使用到的证书，但会讨论到主要的证书。理解了这些证书的使用方法和原理后，也能很快理解其他可能遇到的证书文件。下图标识出了在kubernetes中主要使用到的证书和其使用的位置：
Kubernetes中使用到的主要证书
上图中使用序号对证书进行了标注。图中的箭头表明了组件的调用方向，箭头所指方向为服务提供方，另一头为服务调用方。为了实现TLS双向认证，服务提供方需要使用一个服务器证书，服务调用方则需要提供一个客户端证书，并且双方都需要使用一个CA证书来验证对方提供的证书。为了简明起见，上图中只标注了证书使用方提供的证书，并没有标注证书的验证方验证使用的CA证书。图中标注的这些证书的作用分别如下：
etcd集群中各个节点之间相互通信使用的证书。由于一个etcd节点既为其他节点提供服务，又需要作为客户端访问其他节点，因此该证书同时用作服务器证书和客户端证书。
etcd集群向外提供服务使用的证书。该证书是服务器证书。
kube-apiserver作为客户端访问etcd使用的证书。该证书是客户端证书。
kube-apiserver对外提供服务使用的证书。该证书是服务器证书。
kube-controller-manager作为客户端访问kube-apiserver使用的证书，该证书是客户端证书。
kube-scheduler作为客户端访问kube-apiserver使用的证书，该证书是客户端证书。
kube-proxy作为客户端访问kube-apiserver使用的证书，该证书是客户端证书。
kubelet作为客户端访问kube-apiserver使用的证书，该证书是客户端证书。
管理员用户通过kubectl访问kube-apiserver使用的证书，该证书是客户端证书。
kubelet对外提供服务使用的证书。该证书是服务器证书。
kube-apiserver作为客户端访问kubelet采用的证书。该证书是客户端证书。
kube-controller-manager用于生成和验证service-accounttoken的证书。该证书并不会像其他证书一样用于身份认证，而是将证书中的公钥/私钥对用于serviceaccounttoken的生成和验证。kube-controller-manager会用该证书的私钥来生成serviceaccounttoken，然后以secret的方式加载到pod中。pod中的应用可以使用该token来访问kube-apiserver，kube-apiserver会使用该证书中的公钥来验证请求中的token。我们将在文中稍后部分详细介绍该证书的使用方法。
通过这张图，对证书机制比较了解的读者可能已经看出，我们其实可以使用多个不同的CA来颁发这些证书。只要在通信的组件中正确配置用于验证对方证书的CA根证书，就可以使用不同的CA来颁发不同用途的证书。但我们一般建议采用统一的CA来颁发kubernetes集群中的所有证书，这是因为采用一个集群根CA的方式比采用多个CA的方式更容易管理，可以避免多个CA导致的复杂的证书配置、更新等问题，减少由于证书配置错误导致的集群故障。
Kubernetes中的证书配置
前面我们介绍了Kubernetes集群中主要使用到的证书。下面我们分别看一下如何将这些证书及其对应的私钥和CA根证书需要配置到Kubernetes中各个组件中，以供各个组件进行使用。这里假设使用一个集群根CA来颁发所有相关证书，因此涉及到CA的配置对应的证书文件名都是相同的。
etcd证书配置
需要在etcd的启动命令行中配置以下证书相关参数：
etcd对外提供服务的服务器证书及私钥。
etcd节点之间相互进行认证的peer证书、私钥以及验证peer的CA。
etcd验证访问其服务的客户端的CA。
/usr/local/bin/etcd\\--cert-file=/etc/etcd/kube-etcd.pem\\#对外提供服务的服务器证书--key-file=/etc/etcd/kube-etcd-key.pem\\#服务器证书对应的私钥--peer-cert-file=/etc/etcd/kube-etcd-peer.pem\\#peer证书，用于etcd节点之间的相互访问--peer-key-file=/etc/etcd/kube-etcd-peer-key.pem\\#peer证书对应的私钥--trusted-ca-file=/etc/etcd/cluster-root-ca.pem\\#用于验证访问etcd服务器的客户端证书的CA根证书--peer-trusted-ca-file=/etc/etcd/cluster-root-ca.pem\\#用于验证peer证书的CA根证书...
kube-apiserver证书配置
需要在kube-apiserver中配置以下证书相关参数：
kube-apiserver对外提供服务的服务器证书及私钥。
kube-apiserver访问etcd所需的客户端证书及私钥。
kube-apiserver访问kubelet所需的客户端证书及私钥。
验证访问其服务的客户端的CA。
验证etcd服务器证书的CA根证书。
验证serviceaccounttoken的公钥。
/usr/local/bin/kube-apiserver\\--tls-cert-file=/var/lib/kubernetes/kube-apiserver.pem\\#用于对外提供服务的服务器证书--tls-private-key-file=/var/lib/kubernetes/kube-apiserver-key.pem\\--etcd-certfile=/var/lib/kubernetes/kube-apiserver-etcd-client.pem\\#用于访问etcd的客户端证书--etcd-keyfile=/var/lib/kubernetes/kube-apiserver-etcd-client-key.pem\\#用于访问etcd的客户端证书的私钥--kubelet-client-certificate=/var/lib/kubernetes/kube-apiserver-kubelet-client.pem\\#用于访问kubelet的客户端证书--kubelet-client-key=/var/lib/kubernetes/kube-apiserver-kubelet-client-key.pem\\#用于访问kubelet的客户端证书的私钥--client-ca-file=/var/lib/kubernetes/cluster-root-ca.pem\\#用于验证访问kube-apiserver的客户端的证书的CA根证书--etcd-cafile=/var/lib/kubernetes/cluster-root-ca.pem\\#用于验证etcd服务器证书的CA根证书--kubelet-certificate-authority=/var/lib/kubernetes/cluster-root-ca.pem\\#用于验证kubelet服务器证书的CA根证书--service-account-key-file=/var/lib/kubernetes/service-account.pem\\#用于验证serviceaccounttoken的公钥...
采用kubeconfig访问kube-apiserver
Kubernetes中的各个组件，包括kube-controller-mananger、kube-scheduler、kube-proxy、kubelet等，采用一个kubeconfig文件中配置的信息来访问kube-apiserver。该文件中包含了kube-apiserver的地址，验证kube-apiserver服务器证书的CA证书，自己的客户端证书和私钥等访问信息。
在一个使用minikube安装的集群中，生成的kubeconfig配置文件如下所示，这四个文件分别为admin用户，kube-controller-mananger、kubelet和kube-scheduler的kubeconfig配置文件。
ls/etc/kubernetes/admin.confcontroller-manager.confkubelet.confscheduler.conf
我们打开controller-manager.conf来看一下，为了节约篇幅，这里没有写出证书和私钥的完整内容。
apiVersion:v1clusters:-cluster:#用于验证kube-apiserver服务器证书的CA根证书certificate-authority-data:LS0tLS1CRUdJTiBDRVJUSUZJQXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX0tLS0tCg==server:
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