请求认证

双向 TLS

TLS 在 web 端的使用非常广泛,针对传输的内容进行加密,能够有效的防止中间人攻击。双向TLS(Two way TLS/Mutual TLS,后文均简称 mTLS)的主要使用场景是在 B2B 和 Server-to-Server 的场景中,以支持服务与服务之间身份认证与授权。 istio-official-authorization-arch

上图源引Istio官网 ,图中非常明确的表示 Istio 所希望的是在网格中能够使用 mTLS 进行授权,而在网格外使用 JWT+mTLS 进行授权。服务间身份认证是使用 mTLS,来源身份验证中则是使用 JWT。

我们将一一阐述 mTLS 在 Istio 中身份认证和授权两个方面的实验,在 Kubernetes 集群中使用有哪些注意事项,和 mTLS 的使用建议两个方面。

mTLS 在 Istio 中进行身份认证和授权

Istio 中提供了 AuthorizationPolicy 用于对 trust domain 进行设置,能够对证书做到更加细粒度的验证。具体的一些实验我们也会在后面的章节中进行实验与探讨。

我们将构建测试环境用于验证 mTLS 身份认证是否在服务间启用,mTLS 身份认证在不同的模式下将对服务与服务之的通信有何影响,授权规则对服务与服务之间的通信有何影响。 实验环境结构如图,共拥有 fulllegacymtls-test 三个命名空间,对 fullmtls-test 设置为自动注入 sidecar

实验环境部署一览
图 3.2.3.1.2.1:实验环境部署一览

使用 mTLS 实现服务间身份认证

为验证 mTLS 实现服务间身份认证,我们将在网格外(legacy)和网格内(mtls-testfull)使用 sleep 向 httpbin 发起通信,配置不同的模式,观察不同的返回结果来体验 mTLS 服务间身份认证。

mTLS 身份认证原理与模式简介

mTLS 主要负责服务与服务之间传输层面的认证,具体实现在 sidecar 中,在具体进行请求时,将经历如下的过程:

  1. 客户端发出的请求将被发送到客户端 sidecar
  2. 客户端 sidecar 与服务端 sidecar 开始 mTLS 握手,在握手的同时,客户端 sidecar 讲进行 secure naming check 的额外操作,对服务端中的 server identity (存储在证书中的 SAN 中) 进行检查,以确保其能够运行服务,该操作能够防止一些常见 HTTP/TCP 的流量劫持攻击。
  3. 在完成身份认证以及之后要讲到的授权之后,客户端和服务端开始建立连接进行通信。

Istio 提供如下三种 mTLS 身份认证 模式,在不同的场景下进行使用。

  • PERMISSIVE: 同时支持密文传输和明文传输,则不管是在 Istio 管理下的 Pod 还是在 Istio 管理外的 Pod,相互之间的通信畅通无阻。PERMISSIVE 模式的主要用途是在用户迁移的过程中,服务与服务之间也仍旧能够通信,例如部分 workload 并未注入 sidecar。对于刚接触 Istio 的用户而言非常友好,官方建议在完成迁移之后调整为 STRICT 模式。
  • STRICT: workload 只支持密文传输。
  • DISABLE: 关闭 Mutual TLS。从安全的角度而言,官方并不建议在没有其他安全措施的情况下使用该模式。
  • UNSET: 具体的策略将从父级配置中继承(命名空间或网格层面),如果父级没有进行相应的配置,则使用 PERMISSIVE 模式。

针对此我们需要重点关注的 CRDPeerAuthenticationDestinationRulePeerAuthentication 将会定义流量在 sidecar 之间如何进行传输。 DestinationRule 将定义在发生路由之后对于流量的相应策略,我们主要关注其中的 TLSSettings,需要与 PeerAuthentication 两者配合进行设置。

实验将从默认的 PERMISSIVE 模式开始,转变为 STRICT 模式,最终对于部分的服务启用 DISABLE 模式,通过观察其返回内容,判断是否使用密文传输,从而熟悉在不同模式下的行为模式。

使用默认 PERMISSIVE 模式

默认情况下,PERMISSIVE 模式能够支持明文传输,则不管是在 Istio 管理下的 Pod 还是在 Istio 管理外的 Pod,相互之间的通信畅通无阻。PERMISSIVE 是一种过渡态,当你开始将所有的 workload 都迁移到网格中时,可以使用 PERMISSIVE 过渡态,在完成迁移工作后,可以通过 Grafana Dashboard 或者在 istio-proxy 中使用 tcpdump 来检查是否仍存在明文传输的情况。最终将模式转换为 STRICT 完成迁移。

为简单辨识请求是否使用密文传输,我们将显示返回中的SPIFFE URL ,它来自X509证书的客户端标识,它指示通信是在相互的TLS中发送的。

for from in "mtls-test" "legacy"; do for to in "mtls-test"; do echo "sleep.${from} to httpbin.${to}";kubectl exec $(kubectl get pod -l app=sleep -n ${from} -o jsonpath={.items..metadata.name}) -c sleep -n ${from} -- curl http://httpbin.${to}:8000/headers  -s  -w "response code: %{http_code}\n" | egrep -o 'URI\=spiffe.*sa/[a-z]*|response.*$';  echo -n "\n"; done; done

sleep.mtls-test to httpbin.mtls-test
URI=spiffe://cluster.local/ns/mtls-test/sa/sleep
response code: 200
sleep.legacy to httpbin.mtls-test
response code: 200
sleep.full to httpbin.mtls-test
URI=spiffe://cluster.local/ns/full/sa/sleep
response code: 200

从输出内容可以发现 sleep.mtls-testhttpbin.mtls-test 能够找到 SPIFFE 的相关内容,SPIFFE URI 显示来自 X.509 证书的客户端标识,它表明流量是在 mTLS 中发送的。如果流量为明文,将不会显示客户端证书。可以验证 PERMISSIVE 模式既能支持明文传输,又能支持密文传输。

启用 STRICT 模式
apiVersion: "networking.istio.io/v1alpha3"
kind: "DestinationRule"
metadata:
  name: "httpbin-mtls-test-mtls"
spec:
  host: httpbin.mtls-test.svc.cluster.local
  trafficPolicy:
    tls:
      mode: ISTIO_MUTUAL
---
apiVersion: "security.istio.io/v1beta1"
kind: "PeerAuthentication"
metadata:
  name: "httpbin"
  namespace: "mtls-test"
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: httpbin
  mtls:
    mode: STRICT

此时我们已经要求进入到 httpbin.mtls-test 的流量必须是密文传输,则 httpbin.legacy 没有办法获取到最终的结果,再次发送请求以验证:

sleep.mtls-test to httpbin.mtls-test
URI=spiffe://cluster.local/ns/mtls-test/sa/sleep
response code: 200
sleep.legacy to httpbin.mtls-test
response code: 000
command terminated with exit code 56
sleep.full to httpbin.mtls-test
URI=spiffe://cluster.local/ns/full/sa/sleep
response code: 200
启用 DISABLE 模式

此时,我们因为种种的原因不能将 sleep.legacy 迁移到网格中,但仍旧希望其可以与 httpbin.mtls-test 进行通信,因此我们针对 httpbin.mtls-test 启用 DISABLE 模式

apiVersion: "security.istio.io/v1beta1"
kind: "PeerAuthentication"
metadata:
  name: "httpbin"
  namespace: "mtls-test"
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: httpbin
  mtls:
    mode: DISABLE
---
apiVersion: "networking.istio.io/v1alpha3"
kind: "DestinationRule"
metadata:
  name: "httpbin-mtls-test-mtls"
spec:
  host: httpbin.mtls-test.svc.cluster.local
  trafficPolicy:
    tls:
      mode: DISABLE
sleep.mtls-test to httpbin.mtls-test
response code: 200
sleep.legacy to httpbin.mtls-test
response code: 200
sleep.full to httpbin.mtls-test
response code: 200

实验的结果上能体现相互之间的通讯是畅通的,但是没有展示 SPIFFE URI,因此所有的流量都是明文传输的。请一定注意这样的配置是非常危险的,在没有其他安全措施的情况下请避免这类情况的发生。

使用 mTLS 实现服务间授权

为验证 mTLS 实现服务间授权,我们将沿用相关的测测试环境,主要验证在网格内部的进行通信时,如何使用服务间授权来进一步细粒度保护相应服务。

mTLS 服务间授权原理

身份认证主要解决的是证明“我是谁”的问题,授权则是列举出“我能做什么”,对于 mTLS 而言,则是需要回答该流量 ALLOW 还是 DENY,其中的主要依据是 Identity,通常,Trust Domain 指定身份所属的网格。

针对此我们需要重点关注的 CRDAuthorizationPolicyAuthorizationPolicy 对网格中的 workload 访问控制负责,在不同的条件下判定是否准入。

Istio 在1.5版本前,会在每一个命名空间下创建一个 istio.default 的 secret,存储默认的 CA 文件,并会被挂载在 sidecar 中以供使用,但是在1.5版本中,不会再存储在 secret 中,只能通过 rpc 调用才能获取到响应的内容,内容最终会被分配在内存中,但我们可以使用 openssl s_client 进行访问来获得证书。

kubectl exec <pod> -c istio-proxy -- openssl s_client -alpn istio -connect <service:port> # 获取到证书
openssl x509 -text -noout -in server.pem # 对上一个cmd返回内容中的server.pem 进行解析
Certificate:
  # Ignore something now is not important
        X509v3 extensions:
            X509v3 Subject Alternative Name: critical
                URI:spiffe://cluster.local/ns/default/sa/default

我们接下来要重点关注的就是这里所展示的 SAN(Subject Alternative Name)。

Trust DomainIstio 1.4 版本进入 alpha 的一个功能,在我们修改 Trust Domain 时,实质上是修改了 SAN 区域的值,重新签发了新的证书(重新签发证书需要一定的时间,因此在配置之后需要等待一段时间才能生效)。

使用授权策略拒绝请求

在我们的实验中,我们将拒绝 sleep.full 访问 httpbin.mlts-test 的任何 GET 请求。

apiVersion: security.istio.io/v1beta1
kind: AuthorizationPolicy
metadata:
  name: httpbin.mtls-test.svc.cluster.local
  namespace: mtls-test
spec:
  action: DENY
  rules:
  - from:
    - source:
        principals:
        - cluster.local/ns/full/sa/sleep
    to:
    - operation:
        methods:
        - GET
  selector:
    matchLabels:
      app: httpbin

我们再次进行测试,最终的结果如下:

sleep.mtls-test to httpbin.mtls-test
URI=spiffe://cluster.local/ns/mtls-test/sa/sleep
response code: 200
sleep.legacy to httpbin.mtls-test
response code: 000
command terminated with exit code 56
sleep.full to httpbin.mtls-test
response code: 403

我们看到当 sleep.full 请求 httpbin.mtls-test 时,此时返回403,说明其存在证书,但是证书的的 SAN 值域并不在 Trust Domain 中,因此返回403以表示访问权限不足。

使用 mTLS 与网格外部服务通信

在许多情况下,服务网格中的微服务序并不是应用程序的全部。有时,网格内部的微服务需要使用在服务网格外部的服务,在网格外部署服务,有如下几种原由:

  1. 相关服务是第三方服务,无法被直接迁移到服务网格中。
  2. 从性能方面进行考量,认为相关服务不适合加入到网格中。
  3. 由于行政管理方面的原因,需要使用到其他团队的服务,但对方团队并没有服务网格的相关背景。

我们仍旧希望能够享受服务网格带来的 mTLS 的便利,来使整个系统更加安全。本节就以 MongoDB 为例,首先实现 MongoDB 内置 mTLS,之后将服务端迁移到网格内部,在网格内通过 mTLS 访问网格外部 MongoDB 服务。

使用 MongoDB 内置 mTLS 创建安全连接

MongoDB 自身能够提供 mTLS 的服务,可以通过签发相应的证书来完成 mTLS的配置。

使用 openssl 签发证书

首先使用 openssl 自行签发证书:

openssl req -out ca.pem -new -x509 -days 3650 -subj "/C=CN/CN=root/emailAddress=11111@qq.com" # 生成根证书
openssl genrsa -out server.key 2048 # 生成服务器私钥
openssl req -key server.key -new -out server.req -subj "/C=CN/CN=mongo/emailAddress=11111@qq.com" # 生成服务端证书申请文件
openssl x509 -req -in server.req -CAkey privkey.pem -CA ca.pem -days 36500 -CAcreateserial -CAserial serial -out server.crt # 生成服务端证书
cat server.key server.crt > server.pem # 合并证书与私钥
openssl verify -CAfile ca.pem server.pem # 验证证书
openssl genrsa -out client.key 2048 # 生成客户端私钥
openssl req -key client.key -new -out client.req -subj "/C=CN/CN=client/emailAddress=11111@qq.com" # 生成客户端证书申请文件
openssl x509 -req -in client.req -CAkey privkey.pem -CA ca.pem -days 36500 -CAserial serial -out client.crt # 生成客户端证书
cat client.key client.crt > client.pem # 合并证书与私钥
openssl verify -CAfile ca.pem client.pem # 验证证书

至此我们已经获得了三个证书,ca.pem作为根证书,server.pemclient.pem分别作为服务端和客户端的证书。

使用 ConfigMap 部署 MongoDB 客户端和服务端

创建 ConfigMap 以供挂载在客户端和服务端。

kubectl create configmap -n mongo mongo-server-pem --from-file=./ssl/server.pem --from-file=./ssl/ca.pem
kubectl create configmap -n mongo mongo-client-pem --from-file=./ssl/client.pem --from-file=./ssl/ca.pem

服务端:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mongo
  namespace: mongo
  labels:
    name: mongo
spec:
  ports:
  - port: 27017
    targetPort: 27017
  clusterIP: None
  selector:
    app: mongo
---
apiVersion: apps/v1beta1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mongo
  namespace: mongo
spec:
  serviceName: mongo
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mongo
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 10
      containers:
        - name: mongo
          image: mongo:4.2
          command:
            - mongod
            - "--bind_ip"
            - 0.0.0.0
            - "--tlsMode"
            - "requireTLS"
            - "--tlsCertificateKeyFile"
            - "/pem/server.pem"
            - "--tlsCAFile"
            - "/pem/ca.pem"
          ports:
            - containerPort: 27017
          volumeMounts:
          - name: ssl
            mountPath: /pem
      volumes:
        - name: ssl
          configMap:
            name: mongo-server-pem

服务端中我们挂载了 mongo-server-pemConfigMap 用于启动 mongod,要求 mongod 在建立连接时,必须使用 mTLS 建立连接。

客户端:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  namespace: mongo
  name: mongo-client
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: mongo-client
      version: v1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mongo-client
        version: v1
    spec:
      containers:
      - image: mongo:4.2
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        name: mongo-client
        volumeMounts:
          - name: ssl
            mountPath: /pem
      volumes:
        - name: ssl
          configMap:
            name: mongo-client-pem

类似的,客户端也通过 ConfigMap 将客户端证书和根证书挂载到客户端容器中,以供后序客户端对服务端进行访问。

客户端进行访问实验
root@mongo-client: mongo --tls --tlsCAFile /pem/ca.pem --tlsCertificateKeyFile /pem/client.pem --host mongo.mongo
Welcome to the MongoDB shell.

mongo-client 中我们使用正确的客户端证书和根证书对 mongo.mongo 尝试连接,能够正常通信。

root@mongo-client:/ mongo  --host mongo.mongo
2020-05-02T06:19:11.562+0000 I  NETWORK  [js] DBClientConnection failed to receive message from mongo.mongo:27017 - HostUnreachable: Connection closed by peer

在尝试连接时不设置任何证书,将会在握手阶段被拒绝。

root@mongo-client:/ mongo --tls --tlsCAFile /pem/ca.pem --tlsCertificateKeyFile /pem/ca.pem --host mongo.mongo
2020-05-02T06:30:25.551+0000 E  NETWORK  [main] cannot read PEM key file: /pem/ca.pem error:0909006C:PEM routines:get_name:no start line
Failed global initialization: InvalidSSLConfiguration Can not set up PEM key file.

我们用根证书替代客户端证书,根证书的格式不正确导致无法完成握手。

root@mongo-client:/ mongo --tls --tlsCAFile /pem/client.pem --tlsCertificateKeyFile /pem/client.pem --host mongo.mongo
2020-05-02T06:30:36.144+0000 E  NETWORK  [js] SSL peer certificate validation failed: self signed certificate in certificate chain

我们用客户端证书替代根证书,服务端将在握手阶段验证,最终发现客户端是自签名证书,不可被信任。

上述的输出可以表明,在没有证书和证书不正确的情况下都无法连入数据库,我们能够正确使用 mTLS 模式访问 MongoDB,在访问 MongoDB 上现在已经有了非常安全的保障,但是在客户端需要开发者自行处理有关证书的事宜,这不仅仅会给开发者带来困扰,也会将证书与私钥对外暴露,如果客户端在网格内部,我们可以让 sidecar 来负责相关的工作。

Istio mTLS 结合 MongoDB

我们主要针对客户端进行改造,将其部署在网格中,并让 istio-proxy 进行 mTLS 的相关处理。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  namespace: mtls-test
  name: mongo-client
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: mongo-client
      version: v1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mongo-client
        version: v1
      annotations:
        sidecar.istio.io/userVolume: '[{"name":"client-ssl", "configMap":{"name":"mongo-client-pem"}}]'
        sidecar.istio.io/userVolumeMount: '[{"name":"client-ssl", "mountPath":"/pem"}]'

    spec:
      containers:
      - image: mongo:4.2
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        name: mongo-client

其中 template.annotations 可参考 Resource Annotations,这里主要的用途是将客户端端的相关证书等内容挂载进入到 istio-proxy 容器中。

apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: DestinationRule
metadata:
  namespace: mtls-test
  name: db-mtls
spec:
  host: mongo.mongo.svc.cluster.local
  trafficPolicy:
    tls:
      mode: MUTUAL
      clientCertificate: /pem/client.pem
      privateKey: /pem/client.key
      caCertificates: /pem/ca.pem

设置相应的 DestinationRule,应要注意 tls.modeMUTUAL,并未使用 ISTIO_MUTUAL。相应证书的路径和 Deployment 中的 annotation 相呼应。 在部署后我们进入到 mongo-client 容器中,进行连接的实验:

root@mongo-client-7557b58674-f2rvc:/ mongo --host mongo.mongo
MongoDB shell version v4.2.6
connecting to: MongoDB://mongo.mongo:27017/?compressors=disabled&gssapiServiceName=MongoDB
Implicit session: session { "id" : UUID("19b8f417-4e6b-4ef6-9fda-15e9f1703ebf") }
MongoDB server version: 4.2.6
Welcome to the MongoDB shell.

可以看到这次我们在创建连接时并没有使用设置相应 TLS 的内容,这就是因为将 TLS 层的内容前移到了 istio-proxy 中。

mTLS 与 Kubernetes 探针

我们常在 Kubernetes 集群中使用探针,用于检测服务的健康状态,而这样的探针,往往是一个 HTTP 请求,那么在我们使用探针时,如果开启 mTLS STRICT 模式,则会出现探针报错的情况,但实际上我们的服务应该是可以正常运行的。

kubectl get pods -n mtls-test --watch
NAME                            READY   STATUS             RESTARTS   AGE
httpbin-5446f4d9b4-kxsjx        2/2     Running            0          4h4m
httpbin-probe-79d8c47c6-rmwkl   1/2     CrashLoopBackOff   4          115s
sleep-666475687f-cp252          2/2     Running            0          6h23m

因为探针的最终实施者是 kubelet,但是 kubelet 在执行探测时,并不会携带相应合法的证书,因此会被 sidecar 拒绝请求,返回一个非 2xx 的返回值,TCP 同理,因此需要在该方面上得到豁免。

Istio 官方文档也给出了相应的答案,通过添加注解的方式达成豁免。 修改 Deployment,在 template.metadata 中添加了 sidecar.istio.io/rewriteAppHTTPProbers 通过改写的方式保证探针能够正常工作。

spec:
  template:
    metadata:
      annotations:
        sidecar.istio.io/rewriteAppHTTPProbers: "true"

mTLS 的使用建议

微服务架构中,服务与服务之间的调用是非常频繁的,这也是 Istio 启用 mTLS 的一个原因,但是我们在实际的使用中,我们需要从安全和性能两者综合考虑。

从安全方面而言,mTLS 的使用最大限度的保障了网格内服务的安全。大多数用户会选择从一些基础的镜像开始构建,用户无法确保这些镜像是否包含恶意代码。假设用户在网格外部署了一个名为 Hack 的 Pod ,其注入的恶意代码将在容器启动时尝试连接网格中的 mysql 数据库,如果我们选择使用 PERMISSIVE 或 DISABLE 模式,则 Hack 的行为合法,将为其创造条件对数据库密码进行破解,如果使用 STRICT 模式,则 Hack 将无法访问到相应资源,返回状态码503,从根源上阻止了其行为。

然而从性能角度考虑,用户可以创建更少的连接来避免总的握手次数(多路复用),但是对称加密/解密本身是非常耗时和耗 CPU 资源的——有关性能消耗的分析,可见一些评测机构对此作出的相关评测。

综上,如果是对性能较为敏感,且数据的敏感性不强,数据库也仅限集群内部访问,可以考虑使用明文传输。但如果数据敏感或业务逻辑需要安全方面的考量,建议使用 mTLS。

参考资料

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