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6.6. 配置 IPsec 加密

通过启用 IPsec，您可以加密节点之间的内部 pod 到 pod 集群流量，以及集群外部的 pod 和 IPsec 端点之间的外部流量。OVN-Kubernetes 集群网络上的节点之间的所有 pod 到 pod 网络流量都使用 IPsec 传输模式 加密。

默认禁用 IPsec。您可以在安装集群安装过程中或安装后启用 IPsec。有关集群安装的详情，请参阅 OpenShift Container Platform 安装概述。

注意

当 libreswan 和 NetworkManager-libreswan 软件包有不同的 OpenShift Container Platform 版本时，将集群升级到 OpenShift Container Platform 4.16 会导致两个连续的计算节点重新引导操作。对于第一次重启，Cluster Network Operator (CNO)将 IPsec 配置应用到计算节点。对于第二个重启，Machine Config Operator (MCO)会将最新的机器配置应用到集群。

要将 CNO 和 MCO 更新合并到单一节点重启后，请完成以下任务：

  • 在升级集群前，在对计算节点进行分组的 MachineConfigPools 自定义资源(CR)中将 paused 参数设置为 true。
  • 在升级集群后，将参数设置为 false。

如需更多信息，请参阅 执行 Control Plane Only 更新。

OpenShift Container Platform 集群中 IPsec 存在以下支持限制：

  • 在 IBM Cloud® 上，IPsec 仅支持 NAT-T。在此平台上不支持 Encapsulating Security Payload (ESP)。
  • 如果您的集群在 Red Hat OpenShift Container Platform 中使用 托管的 control plane，则 IPsec 不支持 pod 到 pod，以及到外部主机的 IPsec 加密。
  • 如果有一个或多个接口附加到 Open vSwitch (OVS)，则不支持在任何网络接口中使用 ESP 硬件卸载。为集群启用 IPsec 会触发将 IPsec 与附加到 OVS 的接口搭配使用。默认情况下，OpenShift Container Platform 在附加到 OVS 的任何接口上禁用 ESP 硬件卸载。
  • 如果您为未附加到 OVS 的网络接口启用了 IPsec，集群管理员必须在未附加到 OVS 的每个接口上手动禁用 ESP 硬件卸载。
  • Red Hat Enterprise Linux (RHEL)计算节点上不支持 IPsec，因为主机和每个计算节点上存在的 ovn-ipsec 容器间的 libreswan 不兼容问题。请参阅(OCPBUGS-53316)。

以下列表概述了 IPsec 文档中的关键任务：

  • 在集群安装后启用和禁用 IPsec。
  • 为集群和外部主机之间的流量配置 IPsec 加密。
  • 验证 IPsec 是否加密不同节点上的 pod 之间的流量。

6.6.1. 操作模式
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在 OpenShift Container Platform 集群中使用 IPsec 时，您可以从以下操作模式中选择：

Expand
表 6.5. 操作的 IPsec 模式
模式描述default

Disabled

没有流量被加密。这是集群的默认设置。

是

Full

pod 到 pod 的流量被加密，如"由 pod 到 pod IPsec 加密的网络流量类型"中所述。完成 IPsec 所需的配置步骤后，可以加密到外部节点的流量。

否

外部

完成 IPsec 所需的配置步骤后，可以加密到外部节点的流量。

否

6.6.2. 先决条件
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对于将流量加密到外部主机的 IPsec 支持，请确保您满足以下先决条件：

  • 在 OVN-Kubernetes 网络插件的 ovnKubernetesConfig.gatewayConfig 规格中设置 routingViaHost=true。

  • 安装 NMState Operator。指定 IPsec 配置需要这个 Operator。如需更多信息，请参阅 Kubernetes NMState Operator。

    注意

    Google Cloud 仅支持 NMState Operator 来配置 IPsec。

  • 已安装 Butane 工具 (butane)。要安装 Butane，请参阅安装 Butane。

这些先决条件需要将证书添加到主机 NSS 数据库中，并配置 IPsec 与外部主机进行通信。

6.6.3. 启用 IPsec 时的网络连接要求
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您必须配置机器之间的网络连接，以允许 OpenShift Container Platform 集群组件进行通信。每台机器都必须能够解析集群中所有其他机器的主机名。

Expand
表 6.6. 用于全机器到所有机器通信的端口
协议port描述

UDP

500

IPsec IKE 数据包

4500

IPsec NAT-T 数据包

ESP

N/A

IPsec Encapsulating Security Payload(ESP)

6.6.4. pod 到 pod 流量的 IPsec 加密
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对于 pod 到 pod 流量的 IPsec 加密，以下小节描述了加密哪些特定的 pod 到 pod 的流量，使用什么加密协议，以及如何处理 X.509 证书。这些部分不适用于集群和外部主机之间的 IPsec 加密，您必须为特定的外部网络基础架构手动配置。

6.6.4.1. 由 pod 到 pod IPsec 加密的网络流量类型
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启用 IPsec 后，只有 pod 间的以下网络流量会被加密：

  • 集群网络的不同节点上的 pod 间的流量
  • 从主机网络上的 pod 流量到集群网络上的 pod

以下流量流没有加密：

  • 集群网络上同一节点上的 pod 间的流量
  • 主机网络上的 pod 间的流量
  • 从集群网络上的 pod 流量到主机网络上的 pod

下图中显示了加密和未加密的流程：

IPsec 加密和未加密流量流
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IPsec 加密和未加密流量流

6.6.4.2. 加密协议和 IPsec 模式
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使用的加密机制是 AES-GCM-16-256。完整性检查值（ICV）为 16 字节。密钥长度为 256 位。

使用的 IPsec 模式是 传输模式，这是通过向原始数据包的 IP 标头添加封装安全 Payload (ESP) 标头来加密端到端通信的模式。OpenShift Container Platform 目前不支持 pod 到 pod 通信的 IPsec Tunnel 模式。

6.6.4.3. 安全证书生成和轮转
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Cluster Network Operator（CNO）生成自签名 X.509 证书颁发机构（CA），该颁发机构（CA）用于加密。来自每个节点的证书签名请求（CSR）由 CNO 自动实现。

CA 的有效期为 10 年。独立节点证书的有效期为 5 年，并在 4 年半后自动轮转。

6.6.5. 外部流量的 IPsec 加密
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OpenShift Container Platform 支持使用 IPsec 来加密用于外部主机的流量，确保传输过程中数据的保密性和完整性。此功能依赖于您必须提供的 X.509 证书。

6.6.5.1. 支持的平台
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在以下平台上支持此功能：

  • 裸机
  • Google Cloud
  • Red Hat OpenStack Platform(RHOSP)
  • VMware vSphere
重要

如果您有 Red Hat Enterprise Linux (RHEL)计算节点，则它们不支持对外部流量的 IPsec 加密。

如果您的集群在 Red Hat OpenShift Container Platform 中使用托管的 control plane，则不支持将流量加密到外部主机的 IPsec。

6.6.5.2. 限制：
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确保观察到以下限制：

  • 在为外部流量配置 IPsec 时，NMState Operator 目前不支持 IPv6 配置。
  • 提供的证书捆绑包中的证书通用名称(CN)不能以 ovs_ 前缀开头，因为这个命名可以与每个节点的网络安全服务(NSS)数据库中的 pod 到 pod 的 IPsec CN 名称冲突。

6.6.6. 启用 IPsec 加密
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作为集群管理员，您可以在集群和外部 IPsec 端点之间，启用 pod 到 pod IPsec 加密和 IPsec 加密。

您可以使用以下模式之一配置 IPsec：

  • Full ：pod 到 pod 和外部流量的加密
  • External ：对外部流量进行加密
注意

如果以 Full 模式配置 IPsec，还必须完成"为外部流量配置 IPsec 加密"过程。

先决条件

  • 安装 OpenShift CLI (oc) 。
  • 以具有 cluster-admin 权限的用户身份登录集群。
  • 您已将集群 MTU 的大小减少为 46 字节，以允许 IPsec ESP 标头的开销。

流程

  1. 要启用 IPsec 加密，请输入以下命令： 

    $ oc patch networks.operator.openshift.io cluster --type=merge -p \
  '{
  "spec":{
    "defaultNetwork":{
      "ovnKubernetesConfig":{
        "ipsecConfig":{
          "mode":"<mode">
    1 
    
        }}}}}'
    Copy to Clipboard Toggle word wrap
    1
    指定 External 以加密到外部主机的流量，或者指定 Full 来加密 pod 到 pod 流量，以及可选的到外部主机的流量。默认情况下禁用 IPsec。
  2. 完成"为外部流量配置 IPsec 加密"流程，使用 IPsec 加密外部流量。

验证

  1. 要查找 OVN-Kubernetes data plane pod 的名称，请输入以下命令： 

    $ oc get pods -n openshift-ovn-kubernetes -l=app=ovnkube-node
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    输出示例

    ovnkube-node-5xqbf                       8/8     Running   0              28m
ovnkube-node-6mwcx                       8/8     Running   0              29m
ovnkube-node-ck5fr                       8/8     Running   0              31m
ovnkube-node-fr4ld                       8/8     Running   0              26m
ovnkube-node-wgs4l                       8/8     Running   0              33m
ovnkube-node-zfvcl                       8/8     Running   0              34m
...
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  2. 运行以下命令，验证您在集群中启用了 IPsec：

    注意

    作为集群管理员，当您以 Full 模式配置 IPsec 时，您可以验证您是否在集群中的 pod 之间启用了 IPsec。此步骤不会验证 IPsec 是否在集群和外部主机间工作。 

    $ oc -n openshift-ovn-kubernetes rsh ovnkube-node-<XXXXX> ovn-nbctl --no-leader-only get nb_global . ipsec
    1
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    其中： & lt;XXXXX > 指定上一步中 pod 的随机字符序列。

    命令的成功输出显示状态为 true。

6.6.7. 为外部流量配置 IPsec 加密
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作为集群管理员，要使用 IPsec 加密外部流量，您必须为网络基础架构配置 IPsec，包括提供 PKCS#12 证书。因为这个流程使用 Butane 创建机器配置，所以必须安装 butane 命令。

注意

应用机器配置后，Machine Config Operator 会重新引导集群中受影响的节点，以推出新机器配置。

先决条件

  • 安装 OpenShift CLI (oc) 。
  • 您已在本地计算机上安装了 butane 工具。
  • 在集群中安装了 NMState Operator。
  • 以具有 cluster-admin 权限的用户身份登录集群。
  • 您有一个 IPsec 端点的现存的 PKCS#12 证书，以及一个 PEM 格式的 CA 证书。
  • 您在集群中的 Full 或 External 模式中启用了 IPsec。
  • 您必须在 OVN-Kubernetes 网络插件的 ovnKubernetesConfig.gatewayConfig 规格中将 routingViaHost 参数设置为 true。

流程

  1. 使用 NMState Operator 节点网络配置策略创建 IPsec 配置。如需更多信息，请参阅 Libreswan 作为 IPsec VPN 实现。

    1. 要识别 IPsec 端点的集群节点的 IP 地址，请输入以下命令： 

      $ oc get nodes
      Copy to Clipboard Toggle word wrap

    2. 创建名为 ipsec-config.yaml 的文件，其中包含 NMState Operator 的节点网络配置策略，如下例所示。有关 NodeNetworkConfigurationPolicy 对象的概述，请参阅 Kubernetes NMState 项目。

      NMState IPsec 传输配置示例

      apiVersion: nmstate.io/v1
kind: NodeNetworkConfigurationPolicy
metadata:
  name: ipsec-config
spec:
  nodeSelector:
    kubernetes.io/hostname: "<hostname>"
      1 
      
  desiredState:
    interfaces:
    - name: <interface_name>
      2 
      
      type: ipsec
      libreswan:
        left: <cluster_node>
      3 
      
        leftid: '%fromcert'
        leftrsasigkey: '%cert'
        leftcert: left_server
        leftmodecfgclient: false
        right: <external_host>
      4 
      
        rightid: '%fromcert'
        rightrsasigkey: '%cert'
        rightsubnet: <external_address>/32
      5 
      
        ikev2: insist
        type: transport
      Copy to Clipboard Toggle word wrap

      1 1
      指定要将策略应用到的主机名。此主机充当 IPsec 配置中的左侧主机。
      2
      指定要在主机上创建的接口名称。
      3
      指定在集群端终止 IPsec 隧道的集群节点的主机名。名称应匹配您提供的 PKCS#12 证书中的 SAN [Subject Alternate Name]。
      4
      指定外部主机名，如 host.example.com。名称应与您提供的 PKCS#12 证书中的 SAN [Subject Alternate Name] 匹配。
      5
      指定外部主机的 IP 地址，如 10.1.2.3/32。

      NMState IPsec 隧道配置示例

      apiVersion: nmstate.io/v1
kind: NodeNetworkConfigurationPolicy
metadata:
  name: ipsec-config
spec:
  nodeSelector:
    kubernetes.io/hostname: "<hostname>"
      1 
      
  desiredState:
    interfaces:
    - name: <interface_name>
      2 
      
      type: ipsec
      libreswan:
        left: <cluster_node>
      3 
      
        leftid: '%fromcert'
        leftmodecfgclient: false
        leftrsasigkey: '%cert'
        leftcert: left_server
        right: <external_host>
      4 
      
        rightid: '%fromcert'
        rightrsasigkey: '%cert'
        rightsubnet: <external_address>/32
      5 
      
        ikev2: insist
        type: tunnel
      Copy to Clipboard Toggle word wrap

      1
      指定要将策略应用到的主机名。此主机充当 IPsec 配置中的左侧主机。
      2
      指定要在主机上创建的接口名称。
      3
      指定在集群端终止 IPsec 隧道的集群节点的主机名。名称应匹配您提供的 PKCS#12 证书中的 SAN [Subject Alternate Name]。
      4
      指定外部主机名，如 host.example.com。名称应与您提供的 PKCS#12 证书中的 SAN [Subject Alternate Name] 匹配。
      5
      指定外部主机的 IP 地址，如 10.1.2.3/32。

    3. 要配置 IPsec 接口，请输入以下命令： 

      $ oc create -f ipsec-config.yaml
      Copy to Clipboard Toggle word wrap

  2. 提供以下证书文件以添加到每个主机上的网络安全服务(NSS)数据库中。这些文件在后续步骤中作为 Butane 配置的一部分导入。

    • left_server.p12：IPsec 端点的证书捆绑包
    • ca.pem ：您使用签名证书的证书颁发机构

  3. 创建机器配置以将证书添加到集群中：

    1. 要为 control plane 和 worker 节点创建 Butane 配置文件，请输入以下命令：

      注意

      您在配置文件中指定的 Butane 版本应与 OpenShift Container Platform 版本匹配，并且始终以 0 结尾。例如：4.16.0。有关 Butane 的信息，请参阅"使用 Butane 创建机器配置"。 

      $ for role in master worker; do
  cat >> "99-ipsec-${role}-endpoint-config.bu" <<-EOF
  variant: openshift
  version: 4.16.0
  metadata:
    name: 99-${role}-import-certs
    labels:
      machineconfiguration.openshift.io/role: $role
  systemd:
    units:
    - name: ipsec-import.service
      enabled: true
      contents: |
        [Unit]
        Description=Import external certs into ipsec NSS
        Before=ipsec.service

        [Service]
        Type=oneshot
        ExecStart=/usr/local/bin/ipsec-addcert.sh
        RemainAfterExit=false
        StandardOutput=journal

        [Install]
        WantedBy=multi-user.target
  storage:
    files:
    - path: /etc/pki/certs/ca.pem
      mode: 0400
      overwrite: true
      contents:
        local: ca.pem
    - path: /etc/pki/certs/left_server.p12
      mode: 0400
      overwrite: true
      contents:
        local: left_server.p12
    - path: /usr/local/bin/ipsec-addcert.sh
      mode: 0740
      overwrite: true
      contents:
        inline: |
          #!/bin/bash -e
          echo "importing cert to NSS"
          certutil -A -n "CA" -t "CT,C,C" -d /var/lib/ipsec/nss/ -i /etc/pki/certs/ca.pem
          pk12util -W "" -i /etc/pki/certs/left_server.p12 -d /var/lib/ipsec/nss/
          certutil -M -n "left_server" -t "u,u,u" -d /var/lib/ipsec/nss/
EOF
done
      Copy to Clipboard Toggle word wrap

    2. 要将您在上一步中创建的 Butane 文件转换为机器配置，请输入以下命令： 

      $ for role in master worker; do
  butane -d . 99-ipsec-${role}-endpoint-config.bu -o ./99-ipsec-$role-endpoint-config.yaml
done
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  4. 要将机器配置应用到集群，请输入以下命令： 

    $ for role in master worker; do
  oc apply -f 99-ipsec-${role}-endpoint-config.yaml
done
    Copy to Clipboard Toggle word wrap
    重要

    当 Machine Config Operator (MCO) 更新每个机器配置池中的机器时，它会逐一重启每个节点。在外部 IPsec 连接可用前，您必须等待所有节点更新。

  5. 输入以下命令检查机器配置池状态： 

    $ oc get mcp
    Copy to Clipboard Toggle word wrap

    成功更新的节点具有以下状态： UPDATED=true、UPDATING=false、DEGRADED=false。

    注意

    默认情况下，MCO 会一次在一个池中更新一个机器，从而导致迁移总时间随着集群大小的增加而增加。

  6. 要确认 IPsec 机器配置已被成功推出，请输入以下命令：

    1. 确认创建 IPsec 机器配置： 

      $ oc get mc | grep ipsec
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      输出示例

      80-ipsec-master-extensions        3.2.0        6d15h
80-ipsec-worker-extensions        3.2.0        6d15h
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    2. 确认 control plane 节点的 IPsec 扩展的应用程序。示例输出将显示 2。 

      $ oc get mcp master -o yaml | grep 80-ipsec-master-extensions -c
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    3. 确认计算节点的 IPsec 扩展的应用程序。示例输出将显示 2。 

      $ oc get mcp worker -o yaml | grep 80-ipsec-worker-extensions -c
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6.6.8. 为外部 IPsec 端点禁用 IPsec 加密
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作为集群管理员，您可以删除外部主机的现有 IPsec 隧道。

先决条件

  • 安装 OpenShift CLI (oc) 。
  • 以具有 cluster-admin 权限的用户身份登录集群。
  • 您在集群中的 Full 或 External 模式中启用了 IPsec。

流程

  1. 使用以下 YAML 创建名为 remove-ipsec-tunnel.yaml 的文件： 

    kind: NodeNetworkConfigurationPolicy
apiVersion: nmstate.io/v1
metadata:
  name: <name>
spec:
  nodeSelector:
    kubernetes.io/hostname: <node_name>
  desiredState:
    interfaces:
    - name: <tunnel_name>
      type: ipsec
      state: absent
    Copy to Clipboard Toggle word wrap

    其中：

    name
    指定节点网络配置策略的名称。
    node_name
    指定您要删除的 IPsec 隧道的节点名称。
    tunnel_name
    指定现有 IPsec 隧道的接口名称。

  2. 要删除 IPsec 隧道，请输入以下命令： 

    $ oc apply -f remove-ipsec-tunnel.yaml
    Copy to Clipboard Toggle word wrap

6.6.9. 禁用 IPsec 加密
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作为集群管理员，您可以禁用 IPsec 加密。

先决条件

  • 安装 OpenShift CLI（oc）。
  • 使用具有 cluster-admin 权限的用户登陆到集群。

流程

  1. 要禁用 IPsec 加密，请输入以下命令： 

    $ oc patch networks.operator.openshift.io cluster --type=merge \
-p '{
  "spec":{
    "defaultNetwork":{
      "ovnKubernetesConfig":{
        "ipsecConfig":{
          "mode":"Disabled"
        }}}}}'
    Copy to Clipboard Toggle word wrap
  2. 可选：您可以将集群 MTU 的大小增加 46 个字节，因为 IP 数据包中不再有 IPsec ESP 标头的开销。

6.6.10. 其他资源
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