基于 KubeSphere 的分级管理实践

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作者：许伟，航天网信研发工程师

K8s 是容器编排和分布式应用部署领域的领导者，在 K8s 环境中，我们只需要关心应用的业务逻辑，减轻了我们服务器网络以及存储等方面的管理负担。对于一个用户而言，K8s 是一个很复杂的容器编排平台，学习成本非常高。KubeSphere 抽象了底层的 K8s，并进行了高度的产品化，构建了一个全栈的多租户容器云平台，为用户提供了一个健壮、安全、功能丰富、具备极致体验的 Web 控制台，解决了 K8s 使用门槛高和云原生生态工具庞杂等痛点，使我们可以专注于业务的快速迭代，其多维度的数据监控，对于问题的定位，提供了很大的帮助。

为什么要在 KuberSphere 上实现分级管理

在 KubeSphere 中，资源可以在租户之间共享，根据分配的不同角色，可以对各种资源进行操作。租户与资源之间、资源与资源之间的自由度很高，权限粒度也比较大。在我们的系统中，资源是有权限等级的，像是低等级用户可以通过邀请、赋予权限等操作来操作高等级资源，或者像是低等级项目中的 Pod 可以调度到高等级的节点上，对资源。诸如此类跨等级操作资源等问题，我们在 KubeSphere 基础上来实现了分级管理。

什么是分级体系

分级，顾名思义就是按照既定的标准对整体进行分解、分类。我们将其抽象成一个金字塔模型，从地基到塔顶会有很多个层级，我们将公共资源作为金字塔的地基，拥有最高权限的 admin 作为塔顶，其他资源按照权限等级划分成不同等级。低层级资源是不能访问高等级资源，高等级资源可以获取它等级之下的所有资源，构建了这样一个权益递减、层级间隔离的分级体系。

如何实现分级管理

我们定义了一个代表等级的标签 kubernetes.io/level。以一个多节点的集群为例，首先我们会给用户、企业空间、节点等资源打上代表等级的标签。在邀请用户加入企业空间或者项目时，要求加入的企业空间或者项目的等级不得高于用户的等级，同样项目在绑定企业空间时，也要求项目的等级不得高于企业空间的等级，才能对资源进行纳管；我们认为同一项目下的资源的等级是相同的，基于项目创建的负载、Pod、服务等资源的等级跟项目保持一致；同时 Pod 中加入节点亲和性，以使 Pod 调度到不高于其权限等级的节点上。

例如这里，我们创建了一个权限等级是 3 的用户 demo-user，他可以加入权限等级不高于3的企业空间或者项目中。

kind: User
apiVersion: iam.kubesphere.io/v1alpha2
metadata:
  name: demo-user
  labels:
    kubernetes.io/level: 3
spec:
  email: [e-mail]

创建一个权限等级是 2 的项目 demo-ns，那么基于项目创建的负载、Pod、存储等资源的权限等级也是 2。

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
   name: demo-ns
   labels:
     kubernetes.io/level: 2

基于 demo-ns 项目创建了一个nginx 的 Pod，他的权限等级也是 2，同时加入节点亲和性，要求其调度到权限等级不高于 2 的节点上。

apiVersion: apps/v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    kubernetes.io/level: 2
  name: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - containerPort: 80
      protocol: TCP
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
       nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/level
            operator: Lt
            values:
            - 2
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/level
            operator: In
            values:
            - 2

如何实现资源的升降级

在分级管理体系中，支持等级的无限划分，只需要定义一个中间值，就可以在两个等级之间插入一个新的等级，无需操作其他资源；在对资源进行升降级时，只需要修改对应资源的 label 标签，就可以对资源进行升降级操作。当然，在对资源进行升降级的时候，我们需要对资源进行检测，保证升级时，其上层资源的权限等级不得低于目标等级；同时，降级时，其下层资源的权限等级不得高于目标等级。在不满足升降级操作条件时，需要将对应资源也做相应调整才可以。

不同层级间 Pod 的网络隔离

在分级体系中，我们要求高等级的 Pod 能访问低等级的 Pod，但是低等级的 Pod 不能访问高等级的 Pod，那我们需要如何保证不同层级间 Pod 的网络通信呢。

项目在不开启网络隔离的情况下，Pod 间的网络是互通的，所以这里会新增一个黑名单的网络策略。

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-all
  namespace: demo-ns
  labels:
    kubernetes.io/level: 2
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress

podSelector:{} 作用于项目中所有 Pod，阻止所有流量的流入。

然后放行标签等级大于目标等级（这里是 2）的流量流入（我们对 Ingress 流量没有做限制）。

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: level-match-network-policy
  namespace: demo-ns
  labels:
    kubernetes.io/level: 2
spec:
  podSelector:
    matchExpressions:
    - key: kubernetes.io/level
      operator: Gt
      values:
      - 2
  policyTypes:
  - Ingress

总结

KubeSphere 解决了用户构建、部署、管理和可观测性等方面的痛点，它的资源可以在多个租户之间共享。但是在资源有权限等级的场景中，低等级资源可以操作高等级资源，造成资源越权管理的问题。为解决这一问题，我们在 KubeSphere 的基础上进行了改造，以适应租户与资源之间和资源与资源之间的分级管理，同时在项目的网络策略中，增加黑名单和白名单策略，增强了项目间的网络隔离，让资源的管理更安全。

KubeSphere （https://kubesphere.io）是在 Kubernetes 之上构建的开源容器混合云，提供全栈的 IT 自动化运维的能力，简化企业的 DevOps 工作流。

KubeSphere 已被 Aqara 智能家居、爱立信、本来生活、东软、华云、新浪、三一重工、华夏银行、四川航空、国药集团、微众银行、杭州数跑科技、紫金保险、去哪儿网、中通、中国人民银行、中国银行、中国人保寿险、中国太平保险、中国移动、中国联通、中国电信、天翼云、中移金科、Radore、ZaloPay 等海内外数万家企业采用。KubeSphere 提供了开发者友好的向导式操作界面和丰富的企业级功能，包括 Kubernetes 多云与多集群管理、DevOps (CI/CD)、应用生命周期管理、边缘计算、微服务治理 (Service Mesh)、多租户管理、可观测性、存储与网络管理、GPU support 等功能，帮助企业快速构建一个强大和功能丰富的容器云平台。

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