深度解析Istio系列之安全模块篇

2019-03-13 本文已影响21人 BoCloud博云

单体应用拆分为微服务之后，提高了开发效率，增加系统系统稳定性，提高运维效率等等一系列的好处，但随之也带来了安全方面的风险，之前都是本地调用，现在都改为走网络协议调用接口，今天着重介绍的是微服务架构中的新贵Istio中安全模块分析，Istio安全的三大目标：

默认安全（Security by default）：应用程序代码和基础结构无需更改。

深度防御（Defense in depth）：与现有安全系统集成，提供多层防御。

零信任网络（Zero-trust network）：在不受信的网络上，构建安全解决方案。

架构

如上图，Istio安全涉及到组件有：

Citadel 用于密钥和证书的管理。

Proxy 实现客户端与服务器端安全通信。

Pilot 将授权策略和安全命名信息分发给代理。

Mixer：校验授权和审计。

Istio 身份

身份信息

身份信息是安全基础架构的基本概念，在服务和服务的通信开始前，双方必须用其身份信息交换凭证，以达到相互认证的目的，根据安全信息达到鉴权的目的，同时根据身份信息可以进行审计，在kubernetes的环境下Istio身份标识使用Service Account。

PKI

PKI（Public Key Infrastructure）建立在Istio citadel 之上，Istio 使用 X.509 证书来携带 SPIFFE 格式的身份信息，PKI 还可以大规模自动化地进行密钥和证书轮换。

证书生成流程

基于kubernetes环境下证书生成流程如下：

citadel同时也会监听每个证书的生命周期，通过重写 Kubernetes secret 自动轮换证书。Pilot生成安全信息即授权信息，Pilot将授权信息分发给envoy每个命名空间下有个default serviceaccount，citadel会为它创建一个名为istio.default的secret。

[root@kube01 ~]$ kubectl -n foo get secrets

NAME TYPE DATA AGE

default-token-bdpmg kubernetes.io/service-account-token 3 8d

istio.default istio.io/key-and-cert 3 8d

默认在该命名空间下新建的istio应用都使用该secret。

istio-certs:

   Type: Secret (a volume populated by a Secret)

   SecretName: istio.default

   Optional: true

当为deployment指定了非默认serviceaccount，则秘钥也将使用新的secret。

istio-certs:

   Type: Secret (a volume populated by a Secret)

   SecretName: istio.bookinfo-productpage

   Optional: true

认证

Istio提供两种类型的身份验证：

传输身份验证，也称为服务到服务身份验证：验证直接客户端进行连接。Istio提供相互TLS 作为传输身份验证的完整堆栈解决方案。

源身份验证，也称为最终用户身份验证：验证将请求作为最终用户或设备的原始客户端。

具体信息参见官网，本文章主要介绍第一种。

相互 TLS身份验证（mTLS）

mTLS本身流程如下图所示：

在Istio握手期间，客户端envoy还进行安全命名检查，验证服务器证书中提供的服务账户是否有权限运行目标服务。

认证架构

通过yaml文件配置身份认证策略，部署后策略保存在Istio配置存储中，Pilot监听配置存储，当发生变化后Pilot将策略转变为适当的配置（envoy识别的配置等），再通知envoy如何执行身份认证机制，Pilot提供Istio系统管理的密钥和证书的路径，并将它们安装到应用程序mesh以进行相互TLS。Istio通过异步发送配置到目标端点，代理收到消息后，新的身份认证立即生效。

认证架构如下图所示：

部署影响

在部署Istio平台时，通过yaml则是istio-demo-auth.yaml，该yaml安装为所有控制面板中envoy添加了tls相关信息，在helm中则是global.controlPlaneSecuretyEnable: true，开启后实质是为controlPlaneAuthPolicy: MUTUAL_TLS，分析添加该属性后发生的变化如下：

控制面板

Istio-policy,istio-telemetry,istio-pilot，三个组件在istio-proxy中envoy进程启动时会指定配置文件，依次为envoy_policy.yaml,envoy_telemetry.yaml,envoy_pilot.yaml，在这些文件中相同都增加如下：

"tls_context": {

"common_tls_context": {

"alpn_protocols": "h2",

"tls_certificates": {

"certificate_chain": {

"filename": "/etc/certs/cert-chain.pem"

},

"private_key": {

"filename": "/etc/certs/key.pem"

}

},

"validation_context": {

"trusted_ca": {

"filename": "/etc/certs/root-cert.pem"

}, "verify_subject_alt_name": [

"spiffe://cluster.local/ns/istio-system/sa/istio-pilot-service-account"

]

}

}

在模板文件地址实质判断controlPlaneAuthPolicy的值，如果这个值设置None，则当开启网格策略mtls后，控制面板各个组件不支持tls，导致转发失败，必须设置到控制面板目标规则mode为DISABLE才可以，否则会导致握手失败，报错503，如下所示：

[2018-10-23 02:55:45.510][19][debug][connection] external/envoy/source/common/network/connection_impl.cc:466] [C127] connected

[2018-10-23 02:55:45.510][19][debug][connection] external/envoy/source/common/ssl/ssl_socket.cc:113] [C127] handshake error: 2

[2018-10-23 02:55:45.510][19][debug][connection] external/envoy/source/common/ssl/ssl_socket.cc:113] [C127] handshake error: 5

[2018-10-23 02:55:45.510][19][debug][connection] external/envoy/source/common/network/connection_impl.cc:133] [C127] closing socket: 0

数据面板

数据面板中该值controlPlaneAuthPolicy：None不影响mtls功能使用（如果有误请联系更改）。

认证策略

Istio可以在命名空间范围或网格范围中存储身份认证策略，使用官网实例sleep访问httpbin进行测试，访问过程如下图所示：

部署官网示例，步骤1：

$ kubectl create ns foo

$ kubectl apply -f <(istioctl kube-inject -f samples/httpbin/httpbin.yaml) -n foo

$ kubectl apply -f <(istioctl kube-inject -f samples/sleep/sleep.yaml) -n foo

$ kubectl create ns bar

$ kubectl apply -f <(istioctl kube-inject -f samples/httpbin/httpbin.yaml) -n bar

$ kubectl apply -f <(istioctl kube-inject -f samples/sleep/sleep.yaml) -n bar

$ kubectl create ns legacy

$ kubectl apply -f samples/httpbin/httpbin.yaml -n legacy

$ kubectl apply -f samples/sleep/sleep.yaml -n legacy

此时执行，步骤2：

for from in "foo" "bar"; do for to in "foo" "bar"; do kubectl exec $(kubectl get pod -l app=sleep -n ${from} -o jsonpath={.items..metadata.name}) -c sleep -n ${from} -- curl http://httpbin.${to}:8000/ip -s -o /dev/null -w "sleep.${from} to httpbin.${to}: %{http_code}\n"; done; done

返回结果皆为200，目前是未开启mtls。

网格范围策略

使用MeshPolicy，没有目标选择器部分。可以有最多一个网格范围的策略在网格中，启用mtls配置如下：

cat <<EOF | kubectl apply -f -

apiVersion: "authentication.istio.io/v1alpha1"

kind: "MeshPolicy"

metadata:

   name: "default"

spec:

   peers:

   - mtls: {}

EOF

此时再次执行步骤2则结果都为503，需要增加目标规则配置，如下所示：

cat <<EOF | kubectl apply -f -

apiVersion: "networking.istio.io/v1alpha3"

kind: "DestinationRule"

metadata:

   name: "default"

   namespace: "default"

spec:

   host: "*.local" trafficPolicy:

   tls:

   mode: ISTIO_MUTUAL

EOF

此时再次执行步骤2则结果为200正常。

分析开启mtls后envoy发生的变化，在listeners的filter链中增加了tlsContext相关配置。

//使用istioctl proxy-config分析envoy istioctl proxy-config listeners -n foo httpbin-66dc4dd499-8fjgb --port 8000 -o json

//输出如下：

...

"filterChains": [

   {

   "tlsContext": {

   "commonTlsContext": {

   "tlsCertificates": [

   {

   "certificateChain": {

   "filename": "/etc/certs/cert-chain.pem"

   },

"privateKey": {

   "filename": "/etc/certs/key.pem"

   }

   }

   ],

   "validationContext": {

   "trustedCa": {

   "filename": "/etc/certs/root-cert.pem"

   }

   },

   "alpnProtocols": [

   "h2",

   "http/1.1"

   ]

   },

   "requireClientCertificate": true

   }

...

注意：当controlPanleAuth配置为None时，只是配置这两个配置访问依然为503，原因是控制面板不支持tls配置，如部署影响中有讲到，如果为None时也想让该示例生效，需要增加目标规则，目标规则中指定到控制面板的数据流不开启mtls，使用明文访问，如下所示：

cat <<EOF | kubectl apply -f -

apiVersion: "networking.istio.io/v1alpha3"

kind: "DestinationRule"

metadata:

   name: "istio-system-manage-dr"

namespace: "istio-system"

spec:

   host: "*.istio-system.svc.cluster.local"

   trafficPolicy:

   tls:

   mode: DISABLE

EOF

当拥有sidecar的应用开启mtls后想要访问非Istio服务，也是需要配置tls：DISABLE，如下所示：

cat <<EOF | kubectl apply -f -

apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3

kind: DestinationRule

metadata:

  name: "httpbin-legacy"

spec:

  host: "httpbin.legacy.svc.cluster.local"

  trafficPolicy:

   tls:

   mode: DISABLE

EOF

命名空间范围策略

具有名称default且没有目标选择器部分。每个命名空间最多只能有一个名称空间范围的策略。它使用kind “Policy”，需要指定命名空间名称，如下所示：

cat <<EOF | kubectl apply -f -

apiVersion: "authentication.istio.io/v1alpha1"

kind: "Policy"

metadata:

   name: "default"

   namespace: "foo"

spec:

   peers:

   - mtls: {}

EOF

与网格范围策略一样，也需要指定目标规则，如下所示：

cat <<EOF | kubectl apply -f -

apiVersion: "networking.istio.io/v1alpha3"

kind: "DestinationRule" metadata:

   name: "default"

   namespace: "foo"

spec:

   host: "*.foo.svc.cluster.local"

   trafficPolicy:

   tls:

   mode: ISTIO_MUTUAL

EOF

开启命名空间范围策略只是针对当前命名空间，对于控制面板下的服务没有任何影响，还是使用明文访问。

授权

Istio授权功能，基于角色的访问控制（RBAC），为Istio中服务提供命名空间级别、服务级别、方法级别的访问控制，特点是：

基于角色的语义，简单易用。

服务到服务和最终用户到服务授权。

通过自定义属性支持（例如条件，角色和角色绑定）提供灵活性。

高性能，因为Istio授权在Envoy上本地执行。

授权架构

用户使用.yaml配置Istio授权策略，部署完成后同样存储在Istio配置存储，Pilot监听Istio授权变化，如果发生变化Pilot获取更新的授权策略，将Istio授权策略分发给与服务实例位于同一位置的Envoy代理，每个Envoy代理都运行一个授权引擎，该引擎在运行时授权请求。当请求到达代理时，授权引擎根据当前授权策略评估请求上下文，并返回授权结果，ALLOW或DENY。

启用授权

使用RbacConfig对象启用Istio授权，是一个单例，固定名称为default，在RbacConfig中可以指定一个mode值，该值可以是：

OFF：禁用Istio授权。

ON：为网格中的所有服务启用了Istio授权。

ON_WITH_INCLUSION：仅对inclusion字段中指定的服务和命名空间启用Istio授权。

ON_WITH_EXCLUSION：对网格中的所有服务启用Istio授权，但exclusion 字段中指定的服务和命名空间除外。

开启授权，如下所示：

apiVersion: "rbac.istio.io/v1alpha1"

kind: RbacConfig

metadata:

   name: default

spec:

   mode: 'ON_WITH_INCLUSION'

   inclusion:

   namespaces: ["default"]

当开启rbacconfig后，正常的bookinfo示例已经不可以访问，提示“RBAC: access denied“。

授权策略

使用bookinfo测试授权策略，配置策略，使用ServiceRole和ServiceRolebinding：

ServiceRole：定义一组访问服务的权限。

ServiceRoleBinding：将权限授权给特定主体，例如用户，组，服务。

ServiceRole

每条规则都以以下标准字段：

services：服务名称列表。您可以将值设置*为包括指定命名空间中的所有服务。

methods：HTTP方法名称列表，对于gRPC请求的权限，HTTP谓词始终是POST。您可以将值设置*为包括所有HTTP方法。

paths：HTTP路径或gRPC方法。gRPC方法必须采用以下形式/packageName.serviceName/methodName并且区分大小写。

具体参考官网。

创建一个ServiceRole，如下所示：

apiVersion: "rbac.istio.io/v1alpha1"

kind: ServiceRole

metadata:

   name: service-viewer

   namespace: default

spec: rules:

   - services: ["*"]

   methods: ["GET"]

   constraints:

   - key: "destination.labels[app]"

   values: ["productpage", "details", "reviews", "ratings"]

允许只读访问default命名空间下所有带有指定标签的服务。

ServiceRoleBinding

ServiceRoleBinding规范包括两个部分：

roleRef指的是ServiceRole同一名称空间中的资源。

subjects分配给该角色的列表。

如下所示：

apiVersion: "rbac.istio.io/v1alpha1"

kind: ServiceRoleBinding

metadata:

   name: bind-service-viewer

   namespace: default

spec:

   subjects:

   - properties:

   source.namespace: "istio-system"

   - properties:

   source.namespace: "default"

   roleRef:

   kind: ServiceRole

   name: "service-viewer"

将ServiceRole授权给命名空间为“istio-system”和“default”。

至此Istio安全模块分析到此结束，其中还有很多点本文未涉及，请到官网学习（https://istio.io/docs/concepts/security/），官网是第一手资料，同时如果本文中存在的问题，请随时联系马上改正，谢谢。