08 安全重点认证和授权

本节我们将开始学习将 K8S 应用于生产环境中至关重要的一环，权限控制。当然，不仅是 K8S 对于任何应用于生产环境中的系统，权限管理或者说访问控制都是很重要的。

整体概览

通过前面的学习，我们已经知道 K8S 中几乎所有的操作都需要经过 kube-apiserver 处理，所以为了安全起见，K8S 为它提供了三类安全访问的措施。分别是：用于识别用户身份的认证（Authentication），用于控制用户对资源访问的授权（Authorization）以及用于资源管理方面的准入控制（Admission Control）。

下面的图基本展示了这一过程。来自客户端的请求分别经过认证，授权，准入控制之后，才能真正执行。

当然，这里说基本展示是因为我们可以直接通过 kubectl proxy 的方式直接通过 HTTP 请求访问 kube-apiserver 而无需任何认证过程。

另外，也可通过在 kube-apiserver 所启动的机器上，直接访问启动时 --insecure-port 参数配置的端口进行绕过认证和授权，默认是 8080。为了避免安全问题，也可将此参数设置为 0 以规避问题。注意：这个参数和 --insecure-bind-address 都已过期，并将在未来的版本移除。

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| |        |    |   |                  |   |                |   | Admission    |   |      | |    |        | |
| | Client +------> | Authentication   +-> | Authorization  +-> | Control      +-> |Logic | +--> | Others | |
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| +--------+    |   +------------------+   +----------------+   +--------------+   +------+ |    |        | |
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|               |                          Kube-apiserver                                   |    |        | |
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认证（Authentication）

认证，无非是判断当前发起请求的用户身份是否正确。例如，我们通常登录服务器时候需要输入用户名和密码，或者 SSH Keys 之类的。

在讲认证前，我们应该先理一下 K8S 中的用户。

K8S 中有两类用户，一般用户及 Service Account。

一般用户：一般用户只能通过外部服务进行管理，由管理员进行私钥分发。这也意味着 K8S 中并没有任何表示一般用户的对象，所以一般用户是无法通过 API 直接添加到集群的。
Service Account：由 K8S API 管理的用户，与特定的 NameSpace（命名空间）绑定。由 API Server 自动创建或者通过 API 手动进行创建。同时，它会自动挂载到 Pod 中容器的 /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/ 目录中，其中会包含 NameSpace token 等信息，并允许集群内进程与 API Server 进行交互。

对集群操作的 API 都是与用户相关联的，或者被视为匿名请求。匿名请求可通过 kube-apiserver 的 --anonymous-auth 参数进行控制，默认是开启的，匿名用户默认的用户名为 system:anonymous，所属组为 system:unauthenticated。

理完 K8S 中的用户，我们来看下 K8S 中的认证机制。

K8S 支持以下认证机制：

X509 客户端证书：这个认证机制我们并不陌生，我们前面搭建集群时，虽然没有指定配置文件，但 kubeadm 已经添加了默认参数 --client-ca-file=/etc/kubernetes/pki/ca.crt 而在进行认证时，将会使用客户端证书 subject 的 CN 域（Common Name）用作用户名，O 域（Organization）用作组名。
引导 Token：这个我们也不会陌生，前面我们搭建集群时，当集群通过 kubeadm init 初始化完成后，将会展示一行提示，其中便携带着引导 Token。如果不使用 kubeadm 时，需要设置 --enable-bootstrap-token-auth=true。
静态 Token 文件：启动 Kube-apiserver 时，设置 --token-auth-file=SOMEFILE 并在请求时，加上 Authorization: Bearer TOKEN 的请求头即可。
静态密码文件：与静态 Token 文件类似，设置 --basic-auth-file=SOMEFILE 并在请求时，加上 Authorization: Basic BASE64ENCODED(USER:PASSWORD) 的头即可。
Service Account Token：这是默认启用的机制，关于 Service Account 前面也已经介绍过了，不再赘述。
OpenID：其实是提供了 OAuth2 的认证支持，像 Azure 或 Google 这类云厂商都提供了相关支持。
认证代理：主要是配合身份验证代理进行使用，比如提供一个通用的授权网关供用户使用。
Webhook：提供 Webhook 配合一个远端服务器使用。

可选择同时开启多个认证机制。比如当我们使用 kubeadm 创建集群时，默认便会开启 X509 客户端证书和引导 Token 等认证机制。

授权（Authorization）

授权，也就是在验证当前发起请求的用户是否有相关的权限。例如，我们在 Linux 系统中常见的文件夹权限之类的。

授权是以认证的结果为基础的，授权机制检查用户通过认证后的请求中所包含的属性来进行判断。

K8S 支持多种授权机制，用户想要正确操作资源，则必须获得授权，所以 K8S 默认情况下的权限都是拒绝。当某种授权机制通过或者拒绝后，便会立即返回，不再去请求其他的授权机制；当所有授权机制都未通过时便会返回 403 错误了。

K8S 支持以下授权机制：

ABAC(Attribute-Based Access Control)：基于属性的访问控制，在使用时需要先配置 --authorization-mode=ABAC 和 --authorization-policy-file=SOME_FILENAME 。ABAC 本身设计是非常好的，但是在 K8S 中使用却有点过于繁琐，这里不再赘述。
RBAC(Role-based access control)：基于角色的访问控制，自 K8S 1.6 开始 beta，1.8 进入稳定版，已被大量使用。而当我们使用 kubeadm 安装集群的时候，默认将会添加 --authorization-mode=Node,RBAC 的参数，表示同时开启 Node 和 RBAC 授权机制。当然，如果你对 MongoDB 有所了解或者比较熟悉的话，这部分的内容就会很容易理解，因为 MongoDB 的权限控制也使用了 RBAC （Role-based access control）。
Node：这是一种特殊用途的授权机制，专门用于对 kubelet 发出的 API 请求做授权验证。
Webhook：使用外部的 Server 通过 API 进行授权校验，需要在启动时候增加 --authorization-webhook-config-file=SOME_FILENAME 以及 --authorization-mode=Webhook
AlwaysAllow：默认配置，允许全部。
AlwaysDeny：通常用于测试，禁止全部。

角色（Role）

上面提到了 RBAC，为了能更好的理解，我们需要先认识下 K8S 中的角色。K8S 中的角色从类别上主要有两类，Role 和 ClusterRole。

Role：可以当作是一组权限的集合，但被限制在某个 Namespace 内（K8S 的 Namespace）。
ClusterRole：对于集群级别的资源是不被 Namespace 所限制的，并且还有一些非资源类的请求，所以便产生了它。

当已经了解到角色后，剩下给用户授权也就只是需要做一次绑定即可。在 K8S 中将这一过程称之为 binding，即 rolebinding 和 clusterrolebinding。我们来看下集群刚初始化后的情况：

➜  ~ kubectl get roles --all-namespaces=true
NAMESPACE     NAME                                             AGE
kube-public   kubeadm:bootstrap-signer-clusterinfo             1h
kube-public   system:controller:bootstrap-signer               1h
kube-system   extension-apiserver-authentication-reader        1h
kube-system   kube-proxy                                       1h
kube-system   kubeadm:kubelet-config-1.12                      1h
kube-system   kubeadm:nodes-kubeadm-config                     1h
kube-system   system::leader-locking-kube-controller-manager   1h
kube-system   system::leader-locking-kube-scheduler            1h
kube-system   system:controller:bootstrap-signer               1h
kube-system   system:controller:cloud-provider                 1h
kube-system   system:controller:token-cleaner                  1h
➜  ~ kubectl get rolebindings --all-namespaces=true
NAMESPACE     NAME                                             AGE
kube-public   kubeadm:bootstrap-signer-clusterinfo             1h
kube-public   system:controller:bootstrap-signer               1h
kube-system   kube-proxy                                       1h
kube-system   kubeadm:kubelet-config-1.12                      1h
kube-system   kubeadm:nodes-kubeadm-config                     1h
kube-system   system::leader-locking-kube-controller-manager   1h
kube-system   system::leader-locking-kube-scheduler            1h
kube-system   system:controller:bootstrap-signer               1h
kube-system   system:controller:cloud-provider                 1h
kube-system   system:controller:token-cleaner                  1h

可以看到默认已经存在了一些 role 和 rolebindings。对于这部分暂且不做过多说明，我们来看下对于集群全局有效的 ClusterRole 。

➜  ~ kubectl get clusterroles
NAME                                                                   AGE
admin                                                                  1h
cluster-admin                                                          1h
edit                                                                   1h
flannel                                                                1h
system:aggregate-to-admin                                              1h
system:aggregate-to-edit                                               1h
system:aggregate-to-view                                               1h
system:auth-delegator                                                  1h
system:aws-cloud-provider                                              1h
system:basic-user                                                      1h
system:certificates.k8s.io:certificatesigningrequests:nodeclient       1h
system:certificates.k8s.io:certificatesigningrequests:selfnodeclient   1h
system:controller:attachdetach-controller                              1h
system:controller:certificate-controller                               1h
system:controller:clusterrole-aggregation-controller                   1h
system:controller:cronjob-controller                                   1h
system:controller:daemon-set-controller                                1h
system:controller:deployment-controller                                1h
system:controller:disruption-controller                                1h
system:controller:endpoint-controller                                  1h
system:controller:expand-controller                                    1h
system:controller:generic-garbage-collector                            1h
system:controller:horizontal-pod-autoscaler                            1h
system:controller:job-controller                                       1h
system:controller:namespace-controller                                 1h
system:controller:node-controller                                      1h
system:controller:persistent-volume-binder                             1h
system:controller:pod-garbage-collector                                1h
system:controller:pv-protection-controller                             1h
system:controller:pvc-protection-controller                            1h
system:controller:replicaset-controller                                1h
system:controller:replication-controller                               1h
system:controller:resourcequota-controller                             1h
system:controller:route-controller                                     1h
system:controller:service-account-controller                           1h
system:controller:service-controller                                   1h
system:controller:statefulset-controller                               1h
system:controller:ttl-controller                                       1h
system:coredns                                                         1h
system:csi-external-attacher                                           1h
system:csi-external-provisioner                                        1h
system:discovery                                                       1h
system:heapster                                                        1h
system:kube-aggregator                                                 1h
system:kube-controller-manager                                         1h
system:kube-dns                                                        1h
system:kube-scheduler                                                  1h
system:kubelet-api-admin                                               1h
system:node                                                            1h
system:node-bootstrapper                                               1h
system:node-problem-detector                                           1h
system:node-proxier                                                    1h
system:persistent-volume-provisioner                                   1h
system:volume-scheduler                                                1h
view                                                                   1h
➜  ~ kubectl get clusterrolebindings
NAME                                                   AGE
cluster-admin                                          1h
flannel                                                1h
kubeadm:kubelet-bootstrap                              1h
kubeadm:node-autoapprove-bootstrap                     1h
kubeadm:node-autoapprove-certificate-rotation          1h
kubeadm:node-proxier                                   1h
system:aws-cloud-provider                              1h
system:basic-user                                      1h
system:controller:attachdetach-controller              1h
system:controller:certificate-controller               1h
system:controller:clusterrole-aggregation-controller   1h
system:controller:cronjob-controller                   1h
system:controller:daemon-set-controller                1h
system:controller:deployment-controller                1h
system:controller:disruption-controller                1h
system:controller:endpoint-controller                  1h
system:controller:expand-controller                    1h
system:controller:generic-garbage-collector            1h
system:controller:horizontal-pod-autoscaler            1h
system:controller:job-controller                       1h
system:controller:namespace-controller                 1h
system:controller:node-controller                      1h
system:controller:persistent-volume-binder             1h
system:controller:pod-garbage-collector                1h
system:controller:pv-protection-controller             1h
system:controller:pvc-protection-controller            1h
system:controller:replicaset-controller                1h
system:controller:replication-controller               1h
system:controller:resourcequota-controller             1h
system:controller:route-controller                     1h
system:controller:service-account-controller           1h
system:controller:service-controller                   1h
system:controller:statefulset-controller               1h
system:controller:ttl-controller                       1h
system:coredns                                         1h
system:discovery                                       1h
system:kube-controller-manager                         1h
system:kube-dns                                        1h
system:kube-scheduler                                  1h
system:node                                            1h
system:node-proxier                                    1h
system:volume-scheduler                                1h

可以看到 K8S 中默认已经有很多的 ClusterRole 和 clusterrolebindings 了，我们选择其中一个做下探究。

查看用户权限

我们一直都在使用 kubectl 对集群进行操作，那么当前用户是什么权限呢？对应于 RBAC 中又是什么情况呢？

➜  ~ kubectl config current-context   # 获取当前上下文
kubernetes-admin@kubernetes  # 名为 kubernetes-admin 的用户，在名为 kubernetes 的 cluster 上
➜  ~ kubectl config view users -o yaml  # 查看 user 配置，以下省略了部分内容
apiVersion: v1
clusters:                                   
- cluster:                            
    ...
contexts:                    
- context:  
    cluster: kubernetes
    user: kubernetes-admin
  name: kubernetes-admin@kubernetes
current-context: kubernetes-admin@kubernetes
kind: Config
preferences: {}
users:
- name: kubernetes-admin
  user:
    client-certificate-data: REDACTED
    client-key-data: REDACTED

client-certificate-data 的部分默认是不显示的，而它的内容实际是通过 base64 加密后的证书内容。我们可以通过通过以下方式进行查看

➜  ~ kubectl config view users --raw -o jsonpath='{ .users[?(@.name == "kubernetes-admin")].user.client-certificate-data}' |base64 -d  
-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIC8jCCAdqgAwIBAgIIGuC27C9B8LIwDQYJKoZIhvcNAQELBQAwFTETMBEGA1UE
...
kae1A/d4D5Cm5Qt7M5gr3SxqE5t+O7DP0YhuEPlfY7RzYDksYa8=
-----END CERTIFICATE-----
➜  ~ kubectl config view users --raw -o jsonpath='{ .users[?(@.name == "kubernetes-admin")].user.client-certificate-data}' |base64 -d |openssl x509 -text -noout  # 限于篇幅 省略部分输出
Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number: 1936748965290700978 (0x1ae0b6ec2f41f0b2)
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: CN=kubernetes
        Subject: O=system:masters, CN=kubernetes-admin
        ...

根据前面认证部分的内容，我们知道当前的用户是 kubernetes-admin （CN 域），所属组是 system:masters （O 域）。

我们看下 clusterrolebindings 中的 cluster-admin 。

➜  ~ kubectl get clusterrolebindings  cluster-admin  -o yaml                         
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  annotations:
    rbac.authorization.kubernetes.io/autoupdate: "true"
  ...
  labels:
    kubernetes.io/bootstrapping: rbac-defaults
  name: cluster-admin
  resourceVersion: "116"
  selfLink: /apis/rbac.authorization.k8s.io/v1/clusterrolebindings/cluster-admin
  uid: 71c550f1-e0e4-11e8-866a-fa163e938a99
roleRef:
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: ClusterRole
  name: cluster-admin
subjects:
- apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: Group
  name: system:masters

重点内容在 roleRef 和 subjects 中，名为 cluster-admin 的 ClusterRole 与名为 system:masters 的 Group 相绑定。我们继续探究下它们所代表的含义。

先看看这个 ClusterRole 的实际内容：

➜  ~ kubectl get clusterrole cluster-admin -o yaml
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  annotations:
    rbac.authorization.kubernetes.io/autoupdate: "true"
  ...
  labels:
    kubernetes.io/bootstrapping: rbac-defaults
  name: cluster-admin
  resourceVersion: "58"
  selfLink: /apis/rbac.authorization.k8s.io/v1/clusterroles/cluster-admin
  uid: 71307108-e0e4-11e8-866a-fa163e938a99
rules:
- apiGroups:
  - '*'
  resources:
  - '*'
  verbs:
  - '*'
- nonResourceURLs:
  - '*'
  verbs:
  - '*'

rules 中定义了它所能操作的资源及对应动作，* 是通配符。

到这里，我们就可以得出结论了，当前用户 kubernetes-admin 属于 system:masters 组，而这个组与 cluster-admin 这个 ClusterRole 所绑定，所以用户也就继承了其权限。具备了对多种资源和 API 的相关操作权限。

实践：创建权限可控的用户

前面是通过实际用户来反推它所具备的权限，接下来我们开始实践的部分，创建用户并为它进行授权。

我们要创建的用户名为 backend 所属组为 dev。

创建 NameSpace

为了演示，这里创建一个新的 NameSpace ，名为 work。

➜  ~ kubectl create namespace work
namespace/work created
➜  ~ kubectl get ns work
NAME   STATUS   AGE
work   Active   14s

创建用户

创建私钥

➜  ~ mkdir work
➜  ~ cd work
➜  work openssl genrsa -out backend.key 2048
Generating RSA private key, 2048 bit long modulus
..........................................+++                            
........................+++                   
e is 65537 (0x10001)            
➜  work ls                                       
backend.key 

➜  work cat backend.key                                              
-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----                                          
MIIEpAIBAAKCAQEAzk7blZthwSzachPxrk6pHsuaImTVh6Iw8mNDmtn6sqOqBfZS
...
bNKDWDk8HZREugaOAwjt7xaWOlr9SPCCoXrWoaA1z2215IC4qSA2Nw==
-----END RSA PRIVATE KEY-----

使用私钥生成证书请求。前面已经讲过关于认证的部分，在这里需要指定 `subject` 信息，传递用户名和组名

➜  work openssl req -new -key backend.key -out backend.csr -subj "/CN=backend/O=dev"
➜  work ls
backend.csr  backend.key
➜  work cat backend.csr
-----BEGIN CERTIFICATE REQUEST-----
MIICZTCCAU0CAQAwIDEQMA4GA1UEAwwHYmFja2VuZDEMMAoGA1UECgwDZGV2MIIB
...
lpoSVlNA0trJoiEiZjUqMfXX6ogBhQC4aeRfmbXkW2ZCNxsIm3PDk1Y=
-----END CERTIFICATE REQUEST-----

使用 CA 进行签名。K8S 默认的证书目录为 `/etc/kubernetes/pki`。

➜  work openssl x509 -req -in backend.csr -CA /etc/kubernetes/pki/ca.crt -CAkey /etc/kubernetes/pki/ca.key -CAcreateserial -out backend.crt -days 365
Signature ok
subject=/CN=backend/O=dev
Getting CA Private Key
➜  work ls
backend.crt  backend.csr  backend.key

查看生成的证书文件

➜  work openssl x509 -in backend.crt -text -noout
Certificate:
    Data:
        Version: 1 (0x0)
        Serial Number:
            d9:7f:62:f7:38:66:2a:7b
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: CN=kubernetes
        Subject: CN=backend, O=dev
        ...

可以看到 CN 域和 O 域已经正确设置

添加 context

➜  work kubectl config set-credentials backend --client-certificate=/root/work/backend.crt  --client-key=/root/work/backend.key
User "backend" set.
➜  work kubectl config set-context backend-context --cluster=kubernetes --namespace=work --user=backend
Context "backend-context" created.

使用新用户测试访问

➜  work kubectl --context=backend-context get pods
Error from server (Forbidden): pods is forbidden: User "backend" cannot list resource "pods" in API group "" in the namespace "work"
# 可能看得不够清楚，我们添加 `-v` 参数来显示详情
➜  work kubectl --context=backend-context get pods -n work -v 5
I1109 05:35:11.870639   18626 helpers.go:201] server response object: [{
  "kind": "Status",
  "apiVersion": "v1",
  "metadata": {},
  "status": "Failure",
  "message": "pods is forbidden: User \"backend\" cannot list resource \"pods\" in API group \"\" in the namespace \"work\"",
  "reason": "Forbidden",
  "details": {
    "kind": "pods"
  },
  "code": 403
}]
F1109 05:35:11.870688   18626 helpers.go:119] Error from server (Forbidden): pods is forbidden: User "backend" cannot list resource "pods" in API group "" in the namespace "work"

可以看到已经使用了新的 backend 用户，并且默认的 Namespace 设置成了 work。

创建 Role

我们想要让这个用户只具备查看 Pod 的权限。先来创建一个配置文件。

➜  work cat <<EOF > backend-role.yaml 
kind: Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  namespace: work
  name: backend-role
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "list", "watch"]
EOF

创建并查看已生成的 Role。

➜  work kubectl create -f backend-role.yaml 
role.rbac.authorization.k8s.io/backend-role created
➜  work kubectl get roles  -n work -o yaml
apiVersion: v1
items:
- apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
  kind: Role
  metadata:
    ...
    name: backend-role
    namespace: work
    selfLink: /apis/rbac.authorization.k8s.io/v1/namespaces/work/roles/backend-role
  rules:
  - apiGroups:
    - ""
    resources:
    - pods
    verbs:
    - get
    - list
    - watch
kind: List
metadata:
  resourceVersion: ""
  selfLink: ""

创建 Rolebinding

先创建一个配置文件。

➜  work cat <<EOF > backend-rolebind.yaml
kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: backend-rolebinding          
  namespace: work
subjects:      
- kind: User
  name: backend
  apiGroup: ""     
roleRef:    
  kind: Role 
  name: backend-role
  apiGroup: ""
EOF

创建并查看已生成的 Rolebinding 。

➜  work kubectl create -f backend-rolebind.yaml
rolebinding.rbac.authorization.k8s.io/backend-rolebinding created
➜  work kubectl get rolebinding -o yaml -n work
apiVersion: v1
items:
- apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
  kind: RoleBinding
  metadata:
    name: backend-rolebinding
    namespace: work
    ...
  roleRef:
    apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
    kind: Role
    name: backend-role
  subjects:
  - apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
    kind: User
    name: backend
kind: List
metadata:
  resourceVersion: ""
  selfLink: ""

测试用户权限

➜  work kubectl --context=backend-context get pods -n work
No resources found.
➜  work kubectl --context=backend-context get ns
Error from server (Forbidden): namespaces is forbidden: User "backend" cannot list resource "namespaces" in API group "" at the cluster scope
➜  work kubectl --context=backend-context get deploy -n work
Error from server (Forbidden): deployments.extensions is forbidden: User "backend" cannot list resource "deployments" in API group "extensions" in the namespace "work"

可以看到用户已经具备查看 Pod 的权限，但并不能查看 Namespace 或者 deployment 等其他资源。当然，K8S 也内置了一种很方便的调试机制。

➜  work kubectl auth can-i list pods -n work --as="backend"
yes
➜  work kubectl auth can-i list deploy -n work --as="backend"
no - no RBAC policy matched

--as 是一种建立在 K8S 认证机制之上的机制，可以便于系统管理员验证授权情况，或进行调试。

你也可以仿照 ~/.kube/config 文件的内容，将当前生成的证书及私钥文件等写入到配置文件中，通过指定 KUBECONFIG 的环境变量，或者给 kubectl 传递 --kubeconfig 参数来使用。

总结

本节中，我们学习了 K8S 的认证及授权逻辑，K8S 支持多种认证及授权模式，可按需使用。通过 X509 客户端证书认证的方式使用比较方便也比较推荐，在客户端证书的 CN 域和 O 域可以指定用户名和所属组名。

RBAC 的授权模式现在使用最多，可以通过对 Role 和 subjects (可以是用户或组) 进行绑定，以达到授权的目的。

最后，我们实际新创建了一个用户，并对其授予了预期的权限。在此过程中也涉及到了 openssl 客户端的常规操作，在之后也会常常用到。

下节，我们将开始部署实际的项目到 K8S 中，逐步掌握生成环境中对 K8S 的使用实践。

PS: 也许你会觉得切换 Namespace 之类的操作很繁琐，有一个项目：kubectx 可帮你简化这些步骤，推荐尝试。