使用 KMS 驱动进行数据加密

使用 KMS 驱动进行数据加密

本页展示了如何配置密钥管理服务（Key Management Service，KMS）驱动和插件以启用 Secret 数据加密。在 Kubernetes 1.28 中，存在两个版本的 KMS 静态加密方式。如果可行的话，建议使用 KMS v2，因为（自 Kubernetes v1.28 起）KMS v1 已经被弃用。然而，在某些特殊情况下没办法使用 KMS v2，你应阅读和关注本页中强调的注意事项。 KMS v2 提供了比 KMS v1 明显更好的性能特征。

准备开始

你必须拥有一个 Kubernetes 的集群，同时你必须配置 kubectl 命令行工具与你的集群通信。建议在至少有两个不作为控制平面主机的节点的集群上运行本教程。如果你还没有集群，你可以通过 Minikube 构建一个你自己的集群，或者你可以使用下面的 Kubernetes 练习环境之一：

你所需要的 Kubernetes 版本取决于你已选择的 KMS API 版本。Kubernetes 推荐使用 KMS v2。

如果你选择了 KMS API v2，则应使用 Kubernetes v1.28 （如果你正在运行也支持 KMS API v2 的其他 Kubernetes 版本，需查阅该 Kubernetes 版本的文档）。
如果你选择了 KMS API v1 来支持早于 v1.27 版本的集群，或者你有一个仅支持 KMS v1 的旧版 KMS 插件，那么任何受支持的 Kubernetes 版本都可以良好工作。此 API 自 Kubernetes v1.28 起被弃用。 Kubernetes 不推荐使用此 API。

要获知版本信息，请输入 kubectl version.

KMS v1

特性状态： Kubernetes v1.28 [deprecated]

需要 Kubernetes 1.10.0 或更高版本
你的集群必须使用 etcd v3 或更高版本

KMS v2

特性状态： Kubernetes v1.27 [beta]

对于 Kubernetes 1.25 和 1.26 版本，需要通过 kube-apiserver 特性门控启用此特性。设置 --feature-gates=KMSv2=true 以配置 KMS v2 驱动。对于所有 API 服务器正在运行 1.28 或更高的版本并且你不需要降级到 Kubernetes v1.27 的环境，你可以启用 KMSv2KDF 特性门控（Beta 特性）以生成更稳健的数据加密密钥。如果这些前提条件均已满足，则 Kubernetes 项目建议启用 KMS v2 密钥派生函数（Key Derivation Function, KDF）。
你的集群必须使用 etcd v3 或更高版本。

注意：

KMS v2 API 和实现在 v1.25 的 Alpha 版本和 v1.27 的 Beta 版本之间以不兼容的方式进行了更改。如果尝试从启用了 Alpha 特性的旧版本进行升级将导致数据丢失。

不支持在启用 KMSv2KDF 特性门控的情况下运行一些服务器为 v1.27 而另一些服务器为 v1.28 的混合 API 服务器版本，这可能导致数据丢失。

KMS 加密驱动使用封套加密模型来加密 etcd 中的数据。数据使用数据加密密钥（DEK）加密。这些 DEK 经一个密钥加密密钥（KEK）加密后在一个远端的 KMS 中存储和管理。

对于 KMS v1，每次加密将生成新的 DEK。

对于 KMS v2，API 服务器生成 DEK 有两种方式。 Kubernetes 默认在 API 服务器启动时生成一个新的 DEK（数据加密密钥），然后重复使用该密钥进行资源加密。然而，如果你使用 KMS v2 并且启用了 KMSv2KDF 特性门控，则 Kubernetes 将转为为每次加密生成一个新的 DEK：API 服务器使用密钥派生函数根据秘密的种子数结合一些随机数据生成一次性的数据加密密钥。无论你配置哪种方法，DEK 或种子也会在 KEK 轮换时进行轮换（有关更多详细信息，请参阅下面的“了解 key_id 和密钥轮换”章节）。

KMS 驱动使用 gRPC 通过 UNIX 域套接字与一个特定的 KMS 插件通信。这个 KMS 插件作为一个 gRPC 服务器被部署在 Kubernetes 控制平面的相同主机上，负责与远端 KMS 的通信。

注意：

如果你正在运行基于虚机的节点并使用虚机状态存储支持本特性，则使用 KMS v2 是不安全的，且存在信息安全风险，除非你还显式启用了 KMSv2KDF 特性门控。

使用 KMS v2 时，API 服务器使用带有 12 字节随机数（8 字节原子计数器和 4 字节随机数据）的 AES-GCM 进行加密。如果保存并恢复虚机，则可能会出现以下问题：

如果虚机在不一致的状态下保存或恢复不当，则可能会丢失或损坏计数器值。这可能导致相同的计数器值被用了两次，从而造成两个不同的消息使用相同的随机数。
如果将虚机还原到先前的状态，则计数器值可能会被设置回其先前的值，导致再次使用相同的随机数。

尽管这两种情况都通过 4 字节随机数进行了部分缓解，但这可能会损害加密的安全性。

如果你已启用了 KMSv2KDF 特性门控并且正在使用 KMS v2（而不是 KMS v1），API 服务器会根据秘密的种子数生成一次性的数据加密密钥。这就不再需要使用基于计数器的随机数 (nonce)，同时避免了随机数冲突问题。这样还消除了使用 KMS v2 和虚机状态存储的特定问题。

配置 KMS 驱动

为了在 API 服务器上配置 KMS 驱动，在加密配置文件中的 providers 数组中加入一个类型为 kms 的驱动，并设置下列属性：

KMS v1

apiVersion：针对 KMS 驱动的 API 版本。此项留空或设为 v1。
name：KMS 插件的显示名称。一旦设置，就无法更改。
endpoint：gRPC 服务器（KMS 插件）的监听地址。该端点是一个 UNIX 域套接字。
cachesize：以明文缓存的数据加密密钥（DEK）的数量。一旦被缓存，就可以直接使用 DEK 而无需另外调用 KMS；而未被缓存的 DEK 需要调用一次 KMS 才能解包。
timeout：在返回一个错误之前，kube-apiserver 等待 kms-plugin 响应的时间（默认是 3 秒）。

KMS v2

apiVersion：针对 KMS 驱动的 API 版本。此项设为 v2。
name：KMS 插件的显示名称。一旦设置，就无法更改。
endpoint：gRPC 服务器（KMS 插件）的监听地址。该端点是一个 UNIX 域套接字。
timeout：在返回一个错误之前，kube-apiserver 等待 kms-plugin 响应的时间（默认是 3 秒）。

KMS v2 不支持 cachesize 属性。一旦服务器通过调用 KMS 解密了数据加密密钥 (DEK)，所有的 DEK 将会以明文形式被缓存。一旦被缓存，DEK 可以无限期地用于解密操作，而无需再次调用 KMS。

参见理解静态配置加密

实现 KMS 插件

为实现一个 KMS 插件，你可以开发一个新的插件 gRPC 服务器或启用一个由你的云服务驱动提供的 KMS 插件。你可以将这个插件与远程 KMS 集成，并把它部署到 Kubernetes 控制平面上。

启用由云服务驱动支持的 KMS

有关启用云服务驱动特定的 KMS 插件的说明，请咨询你的云服务驱动商。

开发 KMS 插件 gRPC 服务器

你可以使用 Go 语言的存根文件开发 KMS 插件 gRPC 服务器。对于其他语言，你可以用 proto 文件创建可以用于开发 gRPC 服务器代码的存根文件。

KMS v1

使用 Go：使用存根文件 api.pb.go 中的函数和数据结构开发 gRPC 服务器代码。
使用 Go 以外的其他语言：用 protoc 编译器编译 proto 文件： api.proto 为指定语言生成存根文件。

KMS v2

使用 Go：提供了一个高级库简化这个过程。底层实现可以使用存根文件 api.pb.go 中的函数和数据结构开发 gRPC 服务器代码。
使用 Go 以外的其他语言：用 protoc 编译器编译 proto 文件： api.proto 为指定语言生成存根文件。

然后使用存根文件中的函数和数据结构开发服务器代码。

注意

KMS v1

kms 插件版本：v1beta1

作为对过程调用 Version 的响应，兼容的 KMS 插件应把 v1beta1 作为 VersionResponse.version 版本返回。
消息版本：v1beta1

所有来自 KMS 驱动的消息都把 version 字段设置为 v1beta1。
协议：UNIX 域套接字 (unix)

该插件被实现为一个在 UNIX 域套接字上侦听的 gRPC 服务器。该插件部署时应在文件系统上创建一个文件来运行 gRPC UNIX 域套接字连接。 API 服务器（gRPC 客户端）配置了 KMS 驱动（gRPC 服务器）UNIX 域套接字端点，以便与其通信。通过以 /@ 开头的端点，可以使用一个抽象的 Linux 套接字，即 unix:///@foo。使用这种类型的套接字时必须小心，因为它们没有 ACL 的概念（与传统的基于文件的套接字不同）。然而，这些套接字遵从 Linux 网络命名空间约束，因此只能由同一 Pod 中的容器进行访问，除非使用了主机网络。

KMS v2

KMS 插件版本：v2beta1

作为对过程调用 Status 的响应，兼容的 KMS 插件应把 v2beta1 作为 StatusResponse.Version 版本、 “ok” 作为 StatusResponse.healthz 并且 key_id（远程 KMS KEK ID）作为 StatusResponse.key_id 返回。

当一切健康时，API 服务器大约每分钟轮询一次 Status 过程调用，而插件不健康时每 10 秒钟轮询一次。使用这些插件时要注意优化此调用，因为此调用将经受持续的负载。
加密

EncryptRequest 过程调用提供明文和一个 UID 以用于日志记录。响应必须包括密文、使用的 KEK 的 key_id，以及可选的任意元数据，这些元数据可以帮助 KMS 插件在未来的 DecryptRequest 调用中（通过 annotations 字段）进行解密。插件必须保证所有不同的明文都会产生不同的响应 (ciphertext, key_id, annotations)。

如果插件返回一个非空的 annotations 映射，则所有映射键必须是完全限定域名，例如 example.com。annotation 的一个示例用例是 {"kms.example.io/remote-kms-auditid":"<远程 KMS 使用的审计 ID>"}。

当 API 服务器运行正常时，并不会高频执行 EncryptRequest 过程调用。插件实现仍应力求使每个请求的延迟保持在 100 毫秒以下。
解密

DecryptRequest 过程调用提供 EncryptRequest 中的 (ciphertext, key_id, annotations) 和一个 UID 以用于日志记录。正如预期的那样，它是 EncryptRequest 调用的反向操作。插件必须验证 key_id 是否为其理解的密钥ID - 除非这些插件确定数据是之前自己加密的，否则不应尝试解密。

在启动时，API 服务器可能会执行数千个 DecryptRequest 过程调用以填充其监视缓存。因此，插件实现必须尽快执行这些调用，并应力求使每个请求的延迟保持在 10 毫秒以下。
理解 key_id 和密钥轮换

key_id 是目前使用的远程 KMS KEK 的公共、非机密名称。它可能会在 API 服务器的常规操作期间记录，因此不得包含任何私有数据。建议插件实现使用哈希来避免泄漏任何数据。 KMS v2 指标负责在通过 /metrics 端点公开之前对此值进行哈希。

API 服务器认为从 Status 过程调用返回的 key_id 是权威性的。因此，此值的更改表示远程 KEK 已更改，并且使用旧 KEK 加密的数据应在执行无操作写入时标记为过期（如下所述）。如果 EncryptRequest 过程调用返回与 Status 不同的 key_id，则响应将被丢弃，并且插件将被认为是不健康的。因此，插件实现必须保证从 Status 返回的 key_id 与 EncryptRequest 返回的 key_id 相同。此外，插件必须确保 key_id 是稳定的，并且不会在不同值之间翻转（即在远程 KEK 轮换期间）。

插件不能重新使用 key_id，即使在先前使用的远程 KEK 被恢复的情况下也是如此。例如，如果插件使用了 key_id=A，切换到 key_id=B，然后又回到 key_id=A，那么插件应报告 key_id=A_001 或使用一个新值，如 key_id=C。

由于 API 服务器大约每分钟轮询一次 Status，因此 key_id 轮换并不立即发生。此外，API 服务器在三分钟内以最近一个有效状态为准。因此，如果用户想采取被动方法进行存储迁移（即等待），则必须安排迁移在远程 KEK 轮换后的 3 + N + M 分钟内发生（其中 N 表示插件观察 key_id 更改所需的时间，M 是允许处理配置更改的缓冲区时间 - 建议至少使用 5 分钟）。请注意，执行 KEK 轮换不需要进行 API 服务器重启。

注意：

因为你未控制使用 DEK 执行的写入次数，所以 Kubernetes 项目建议至少每 90 天轮换一次 KEK。
协议：UNIX 域套接字 (unix)

该插件被实现为一个在 UNIX 域套接字上侦听的 gRPC 服务器。该插件部署时应在文件系统上创建一个文件来运行 gRPC UNIX 域套接字连接。 API 服务器（gRPC 客户端）配置了 KMS 驱动（gRPC 服务器）UNIX 域套接字端点，以便与其通信。通过以 /@ 开头的端点，可以使用一个抽象的 Linux 套接字，即 unix:///@foo。使用这种类型的套接字时必须小心，因为它们没有 ACL 的概念（与传统的基于文件的套接字不同）。然而，这些套接字遵从 Linux 网络命名空间，因此只能由同一 Pod 中的容器进行访问，除非使用了主机网络。

将 KMS 插件与远程 KMS 整合

KMS 插件可以用任何受 KMS 支持的协议与远程 KMS 通信。所有的配置数据，包括 KMS 插件用于与远程 KMS 通信的认证凭据，都由 KMS 插件独立地存储和管理。 KMS 插件可以用额外的元数据对密文进行编码，这些元数据是在把它发往 KMS 进行解密之前可能要用到的（KMS v2 提供了专用的 annotations 字段简化了这个过程）。

部署 KMS 插件

确保 KMS 插件与 Kubernetes API 服务器运行在同一主机上。

使用 KMS 驱动加密数据

为了加密数据：

使用适合于 kms 驱动的属性创建一个新的 EncryptionConfiguration 文件，以加密 Secret 和 ConfigMap 等资源。如果要加密使用 CustomResourceDefinition 定义的扩展 API，你的集群必须运行 Kubernetes v1.26 或更高版本。
设置 kube-apiserver 的 --encryption-provider-config 参数指向配置文件的位置。
--encryption-provider-config-automatic-reload 布尔参数决定了磁盘内容发生变化时是否应自动重新加载通过 --encryption-provider-config 设置的文件。这样可以在不重启 API 服务器的情况下进行密钥轮换。
重启你的 API 服务器。

KMS v1

apiVersion: apiserver.config.k8s.io/v1
kind: EncryptionConfiguration
resources:
  - resources:
      - secrets
      - configmaps
      - pandas.awesome.bears.example
    providers:
      - kms:
          name: myKmsPluginFoo
          endpoint: unix:///tmp/socketfile.sock
          cachesize: 100
          timeout: 3s
      - kms:
          name: myKmsPluginBar
          endpoint: unix:///tmp/socketfile.sock
          cachesize: 100
          timeout: 3s

KMS v2

apiVersion: apiserver.config.k8s.io/v1
kind: EncryptionConfiguration
resources:
  - resources:
      - secrets
      - configmaps
      - pandas.awesome.bears.example
    providers:
      - kms:
          apiVersion: v2
          name: myKmsPluginFoo
          endpoint: unix:///tmp/socketfile.sock
          timeout: 3s
      - kms:
          apiVersion: v2
          name: myKmsPluginBar
          endpoint: unix:///tmp/socketfile.sock
          timeout: 3s

--encryption-provider-config-automatic-reload 设置为 true 会将所有健康检查集中到同一个健康检查端点。只有 KMS v1 驱动正使用且加密配置未被自动重新加载时，才能进行独立的健康检查。

下表总结了每个 KMS 版本的健康检查端点：

KMS 配置	没有自动重新加载	有自动重新加载
仅 KMS v1	Individual Healthchecks	Single Healthcheck
仅 KMS v2	Single Healthcheck	Single Healthcheck
KMS v1 和 v2	Individual Healthchecks	Single Healthcheck
没有 KMS	无	Single Healthcheck

Single Healthcheck 意味着唯一的健康检查端点是 /healthz/kms-providers。

Individual Healthchecks 意味着每个 KMS 插件都有一个对应的健康检查端点，并且这一端点基于插件在加密配置中的位置确定，例如 /healthz/kms-provider-0、/healthz/kms-provider-1 等。

这些健康检查端点路径是由服务器硬编码、生成并控制的。 Individual Healthchecks 的索引序号对应于 KMS 加密配置被处理的顺序。

一般而言，在 KMS 插件出现故障时重新启动 API 服务器并不太可能改善情况。这样做会由于丢弃 API 服务器的 DEK 缓存使情况显著恶化。因此，一般建议忽略出于存活性探测的目的而对 API 服务器 KMS 的健康检查，即 /livez?exclude=kms-providers。

在执行确保所有 Secret 都加密中所给步骤之前， providers 列表应以 identity: {} 提供程序作为结尾，以允许读取未加密的数据。加密所有资源后，应移除 identity 提供程序，以防止 API 服务器接受未加密的数据。

有关 EncryptionConfiguration 格式的更多详细信息，请参阅 kube-apiserver 加密 API 参考 (v1).

验证数据已经加密

当静态加密被正确配置时，资源将在写入时被加密。重启 kube-apiserver 后，所有新建或更新的 Secret 或在 EncryptionConfiguration 中配置的其他资源类型在存储时应该已被加密。要验证这点，你可以用 etcdctl 命令行程序获取私密数据的内容。

在默认的命名空间里创建一个名为 secret1 的 Secret：

kubectl create secret generic secret1 -n default --from-literal=mykey=mydata

用 etcdctl 命令行，从 etcd 读取出 Secret：
```
ETCDCTL_API=3 etcdctl get /kubernetes.io/secrets/default/secret1 [...] | hexdump -C
```
其中 [...] 包含连接 etcd 服务器的额外参数。
验证对于 KMS v1，保存的 Secret 以 k8s:enc:kms:v1: 开头，对于 KMS v2，保存的 Secret 以 k8s:enc:kms:v2: 开头，这表明 kms 驱动已经对结果数据加密。
验证通过 API 获取的 Secret 已被正确解密：
```
kubectl describe secret secret1 -n default
```
Secret 应包含 mykey: mydata。

确保所有 Secret 都已被加密

当静态加密被正确配置时，资源将在写入时被加密。这样我们可以执行就地零干预更新来确保数据被加密。

下列命令读取所有 Secret 并更新它们以便应用服务器端加密。如果因为写入冲突导致错误发生，请重试此命令。对较大的集群，你可能希望根据命名空间或脚本更新去细分 Secret 内容。

kubectl get secrets --all-namespaces -o json | kubectl replace -f -

从本地加密驱动切换到 KMS 驱动

为了从本地加密驱动切换到 kms 驱动并重新加密所有 Secret 内容：

在配置文件中加入 kms 驱动作为第一个条目，如下列样例所示

apiVersion: apiserver.config.k8s.io/v1
kind: EncryptionConfiguration
resources:
  - resources:
      - secrets
    providers:
      - kms:
          apiVersion: v2
          name : myKmsPlugin
          endpoint: unix:///tmp/socketfile.sock
      - aescbc:
          keys:
            - name: key1
              secret: <BASE 64 ENCODED SECRET>

重启所有 kube-apiserver 进程。

运行下列命令使用 kms 驱动强制重新加密所有 Secret。

kubectl get secrets --all-namespaces -o json | kubectl replace -f -

禁用静态数据加密

要禁用静态数据加密：

将 identity 驱动作为配置文件中的第一个条目：

apiVersion: apiserver.config.k8s.io/v1
kind: EncryptionConfiguration
resources:
  - resources:
      - secrets
    providers:
      - identity: {}
      - kms:
          apiVersion: v2
          name : myKmsPlugin
          endpoint: unix:///tmp/socketfile.sock

重启所有 kube-apiserver 进程。

运行下列命令强制重新加密所有 Secret。

kubectl get secrets --all-namespaces -o json | kubectl replace -f -