使用 cert-manager 签发免费证书

最近更新时间：2023-09-04 14:49:12
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概述
随着 HTTPS 不断普及，大多数网站开始由 HTTP 升级到 HTTPS。使用 HTTPS 需要向权威机构申请证书，并且需要付出一定的成本，如果需求数量多，则开支也相对增加。cert-manager 是 Kubernetes 上的全能证书管理工具，支持利用 cert-manager 基于 ACME 协议与 Let's Encrypt 签发免费证书并为证书自动续期，实现永久免费使用证书。  
操作原理
cert-manager 工作原理
cert-manager 部署到 Kubernetes 集群后会查阅其所支持的自定义资源 CRD，可通过创建 CRD 资源来指示 cert-manager 签发证书并为证书自动续期。如下图所示：
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Issuer/ClusterIssuer：用于指示 cert-manager 签发证书的方式，本文主要讲解签发免费证书的 ACME 方式。  
说明
Issuer 与 ClusterIssuer 之间的区别是：Issuer 只能用来签发自身所在 namespace 下的证书，ClusterIssuer 可以签发任意 namespace 下的证书。  
Certificate：用于向 cert-manager 传递域名证书的信息、签发证书所需要的配置，以及对 Issuer/ClusterIssuer 的引用。
免费证书签发原理
Let’s Encrypt 利用 ACME 协议校验域名的归属，校验成功后可以自动颁发免费证书。免费证书有效期只有90天，需在到期前再校验一次实现续期。使用 cert-manager 可以自动续期，即实现永久使用免费证书。校验域名归属的两种方式分别是 HTTP-01 和 DNS-01，校验原理详情可参见 Let's Encrypt 的运作方式。
HTTP-01 校验原理
DNS-01 校验原理
HTTP-01 的校验原理是给域名指向的 HTTP 服务增加一个临时 location。此方法仅适用于给使用 Ingress 暴露流量的服务颁发证书，并且不支持泛域名证书。例如，Let’s Encrypt 会发送 HTTP 请求到 http://<YOUR_DOMAIN>/.well-known/acme-challenge/<TOKEN>。YOUR_DOMAIN 是被校验的域名。TOKEN 是 ACME 协议客户端负责放置的文件，在此处 ACME 客户端即 cert-manager，通过修改或创建 Ingress 规则来增加临时校验路径并指向提供 TOKEN 的服务。Let’s Encrypt 会对比 TOKEN 是否符合预期，校验成功后就会颁发证书。  
DNS-01 的校验原理是利用 DNS 提供商的 API Key 拿到用户 DNS 控制权限。此方法不需要使用 Ingress，并且支持泛域名证书。在 Let’s Encrypt 为 ACME 客户端提供令牌后，ACME 客户端 \\(cert-manager\\) 将创建从该令牌和账户密钥派生的 TXT 记录，并将该记录放在 _acme-challenge.<YOUR_DOMAIN>。Let’s Encrypt 将向 DNS 系统查询该记录，找到匹配项即可颁发证书。  
校验方式对比
HTTP-01 校验方式的优点是配置简单通用，不同 DNS 提供商均可使用相同的配置方法。缺点是需要依赖 Ingress，若仅适用于服务支持 Ingress 暴露流量，不支持泛域名证书。  
DNS-01 校验方式的优点是不依赖 Ingress，并支持泛域名。缺点是不同 DNS 提供商的配置方式不同，DNS 提供商过多而 cert-manager 的 Issuer 不能全部支持。部分可以通过部署实现 cert-manager 的 Webhook 服务来扩展 Issuer 进行支持。例如 DNSPod 和 阿里 DNS，详情请参见 Webhook 列表。
本文向您推荐 DNS-01 方式，其限制较少，功能较全。  
操作步骤
安装 cert-manager
通常使用 yaml 方式一键安装 cert-manager 到集群，可参考官网文档 Installing with regular manifests。cert-manager 官方使用的镜像在 quay.io 进行拉取，在国内拉取镜像时您可以参考 境外镜像拉取加速。
配置 DNS
登录 DNS 提供商后台，配置域名的 DNS A 记录，指向所需要证书的后端服务对外暴露的 IP 地址。以 cloudflare 为例，如下图所示：
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HTTP-01 校验方式签发证书
若使用 HTTP-01 的校验方式，则需要用到 Ingress 来配合校验。cert-manager 会通过自动修改 Ingress 规则或自动新增 Ingress 来实现对外暴露校验所需的临时 HTTP 路径。为 Issuer 配置 HTTP-01 校验时，如果指定 Ingress 的 name，表示会自动修改指定 Ingress 的规则来暴露校验所需的临时 HTTP 路径，如果指定 class，则表示会自动新增 Ingress，可参考以下 示例。  
TKE 自带的 Ingress 中，每个 Ingress 资源都会对应一个负载均衡 CLB，如果使用 TKE 自带的 Ingress 暴露服务，并且使用 HTTP-01 方式校验，那么只能使用自动修改 Ingress 的方式，不能自动新增 Ingress。自动新增的 Ingress 会自动创建其他 CLB，使对外的 IP 地址与后端服务的 Ingress 不一致，Let's Encrypt 校验时将无法从服务的 Ingress 找到校验所需的临时路径，从而导致校验失败，无法签发证书。如果使用自建 Ingress，例如 在 TKE 上部署 Nginx Ingress，同一个 Ingress class 的 Ingress 共享同一个 CLB，则支持使用自动新增 Ingress 的方式。  
示例
如果服务使用 TKE 自带的 Ingress 暴露服务，则不适合用 cert-manager 签发管理免费证书，证书从 证书管理 中被引用，不在 Kubernetes 中管理。假设是 在 TKE 上部署 Nginx Ingress，且后端服务的 Ingress 是 prod/web，可参考以下代码示例创建 Issuer：
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: Issuer
metadata:
  name: letsencrypt-http01
  namespace: prod
spec:
  acme:
    server: https://acme-v02.api.letsencrypt.org/directory
    privateKeySecretRef:
      name: letsencrypt-http01-account-key
    solvers:
    - http01:
       ingress:
         name: web # 指定被自动修改的 Ingress 名称
使用 Issuer 签发证书，cert-manager 会自动创建 Ingress 资源，并自动修改 Ingress 的资源 prod/web，以暴露校验所需的临时路径。参考以下代码示例，自动新增 Ingress：
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: Issuer
metadata:
  name: letsencrypt-http01
  namespace: prod
spec:
  acme:
    server: https://acme-v02.api.letsencrypt.org/directory
    privateKeySecretRef:
      name: letsencrypt-http01-account-key
    solvers:
    - http01:
       ingress:
         class: nginx # 指定自动创建的 Ingress 的 ingress class
成功创建 Issuer 后，参考以下代码示例，创建 Certificate
 并引用 Issuer 进行签发：
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: Certificate
metadata:
  name: test-mydomain-com
  namespace: prod
spec:
  dnsNames:
  - test.mydomain.com # 要签发证书的域名
  issuerRef:
    kind: Issuer
    name: letsencrypt-http01 # 引用 Issuer，指示采用 http01 方式进行校验
  secretName: test-mydomain-com-tls # 最终签发出来的证书会保存在这个 Secret 里面
DNS-01 校验方式签发证书
若使用 DNS-01 的校验方式，则需要选择 DNS 提供商。cert-manager 内置 DNS 提供商的支持，详细列表和用法请参见 Supported DNS01 providers。若需要使用列表外的 DNS 提供商，可参考以下两种方案：
方案1：设置 Custom Nameserver
方案2：使用 Webhook
在 DNS 提供商后台设置 custom nameserver，指向例如 cloudflare 此类可管理其它 DNS 提供商域名的 nameserver 地址，具体地址可登录 cloudflare 后台查看。如下图所示：
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namecheap 可以设置 custom nameserver，如下图所示：
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最后配置 Issuer 指定 DNS-01 验证时，添加 cloudflare 的信息即可。
使用 cert-manager 的 Webhook 来扩展 cert-manager 的 DNS-01 验证所支持的 DNS 提供商，已经有许多第三方实现，包括国内常用的 DNSPod 与阿里 DNS，详细列表和用法请参见 Webhook。  
示例
参考以下步骤，以 cloudflare 为例来签发证书：
1. 登录 cloudflare，并创建 Token。如下图所示：
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2. 复制 Token 并将 Token 保存到 Secret 中。yaml 示例如下：
注意
如需创建 ClusterIssuer，Secret 需要创建在 cert-manager 所在命名空间中。  
如需创建 Issuer，Secret 需要创建在 Issuer 所在命名空间中。
   apiVersion: v1
   kind: Secret
   metadata:
     name: cloudflare-api-token-secret
     namespace: cert-manager
   type: Opaque
   stringData:
     api-token: <API Token> # 将 Token 粘贴到此处，不需要 base64 加密。  
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3. 创建 ClusterIssuer。yaml 示例如下：
   apiVersion: cert-manager.io/v1
   kind: ClusterIssuer
   metadata:
     name: letsencrypt-dns01
   spec:
     acme:
       privateKeySecretRef:
         name: letsencrypt-dns01
       server: https://acme-v02.api.letsencrypt.org/directory
       solvers:
       - dns01:
           cloudflare:
             email: my-cloudflare-acc@example.com # 替换成你的 cloudflare 邮箱账号，API Token 方式认证非必需，API Keys 认证是必需
             apiTokenSecretRef:
               key: api-token
               name: cloudflare-api-token-secret # 引用保存 cloudflare 认证信息的 Secret
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4. 创建 Certificate。yaml 示例如下：
   apiVersion: cert-manager.io/v1
   kind: Certificate
   metadata:
     name: test-mydomain-com
     namespace: default
   spec:
     dnsNames:
     - test.mydomain.com # 要签发证书的域名
     issuerRef:
       kind: ClusterIssuer
       name: letsencrypt-dns01 # 引用 ClusterIssuer，指示采用 dns01 方式进行校验
     secretName: test-mydomain-com-tls # 最终签发出来的证书会保存在这个 Secret 里面
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获取和使用证书
创建 Certificate 后，即可通过 kubectl 查看证书是否签发成功。  
$ kubectl get certificate -n prod
NAME                READY   SECRET                  AGE
test-mydomain-com   True    test-mydomain-com-tls   1m
READY 为  False：则表示签发失败，可以通过 describe 命令查看 event 来排查失败原因。  
$ kubectl describe certificate test-mydomain-com -n prod
READY 为 True：则表示签发成功，证书将保存在所指定的 Secret 中。例如，default/test-mydomain-com-tls。可以通过 kubectl 查看，其中 tls.crt 是证书，tls.key 是密钥。  
$ kubectl get secret test-mydomain-com-tls -n default
...
data:
tls.crt: <cert>
tls.key: <private key>
您可以将其挂载到需要证书的应用中，或者直接在自建的 Ingress 中引用 secret。可参考以下示例：
apiVersion: networking.k8s.io/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: test-ingress
  annotations:
    kubernetes.io/Ingress.class: nginx
spec:
  rules:
  - host: test.mydomain.com
    http:
      paths:
      - path: /web
        backend:
          serviceName: web
          servicePort: 80
  tls:
    hosts:
    - test.mydomain.com
    secretName: test-mydomain-com-tls
相关文档
cert-manager 官网
Let's Encrypt 的运作方式
Issuer API 文档
Certificate API 文档
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