智汇华云 | Istio中双向TLS认证功能详解

                               
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一、概述

Istio中实现了从客户端到服务器端的全链路加密功能，首先从外部的客户端发起请求，到达Istio的Ingress Proxy，后者作为整个集群的边界网关，会再将请求转发到集群内部的微服务，在集群内部，一般会涉及到多个微服务之间的交互，形成一个调用链。

在很多架构模型中，集群内部会被认为是天然安全的，微服务之间的流量也是明文传输的。这种模型现在受到越来越多的质疑，因此诸如很多公有云都实现了"零信任"网络，全链路加密的功能。

本文会详细分析在一个集群内部，如何通过Istio实现服务之间通信数据的加密。Istio中的加密方式是双向tls的认证，具体是指两个Envoy Proxy之间的首先进行双向tls认证，认证通过后将后续的数据流进行加密传输。

例如：Pod A需要访问Pod B，在Istio中，请求都是由Envoy进行代理的，因此完整的流程是Pod A发出到Pod B的请求，然后请求会被Envoy Proxy A劫持，接着Envoy Proxy A会与Envoy Proxy B进行点对点的认证，认证通过后，数据会进行加密传输，请求会由Envoy Proxy A发送给Envoy Proxy B，最后再由Envoy Proxy B将请求转发给Pod B。

                               
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在Envoy Proxy A与Envoy Proxy B之间认证的过程对于Pod A或者Pod B而言都是无感知的。

Istio中双向tls认证的基本对象是

apiVersion: security.istio.io/v1beta1
kind: PeerAuthentication

二、认证配置的策略类型
在具体进行配置的时候，有四种基本的策略

●DISABLE

即禁用双向tls认证，这种情况下源Envoy与目的Envoy之间没有对对方进行身份的安全确认，它们之间发送的都是明文数据

●STRICT

即严格的双向tls认证模式。源Envoy与目的Envoy之间必须对对方进行身份的安全确认，它们之间发送的都是加密后的数据。

●PERMISSIVE

可以进行双向tls认证、也可以不进行认证从而发送明文数据。

●UNSET

即没有进行设置，这种情况下会继承上级策略，比如当前namespace的或者整个系统的。如果上级策略都为空，则会默认设置为PERMISSIVE

三、认证配置的范围
Istio中对双向tls认证进行配置的时候，可以有几种不同的范围，范围越小优先级越高：

●全局
  apiVersion: security.istio.io/v1beta1
  kind: PeerAuthentication
  metadata:
    name: default
    namespace: istio-system
  spec:
    mtls:
      mode: STRICT

注意，全局的安全策略名称只能是default，namespace则是istio所在的系统namespace，这里是istio-system

●namespace级别，即某个namespace中所有服务

  apiVersion: security.istio.io/v1beta1
  kind: PeerAuthentication
  metadata:
    name: default
    namespace: foo
  spec:
    mtls:
      mode: PERMISSIVE

●负载级别，即某个namespace中某些具体的Pod

  apiVersion: security.istio.io/v1beta1
  kind: PeerAuthentication
  metadata:
    name: default
    namespace: foo
  spec:
    selector:
      matchLabels:
        app: finance
    mtls:
      mode: STRICT

会将带有"app: finance"label的Pod所在的Envoy实行STRICT模式。

●端口级别
  apiVersion: security.istio.io/v1beta1
  kind: PeerAuthentication
  metadata:
    name: default
    namespace: foo
  spec:
    selector:
      matchLabels:
        app: finance
    mtls:
      mode: STRICT
    portLevelMtls:
      8080:
        mode: DISABLE

会将带有"app: finance"label的Pod所在的Envoy实行STRICT模式，但是会将其中的8080端口使用DISABLE模式。
四、认证配置的具体方法
在Istio中进行双向tls认证配置，需要注意的是客户端和服务器端配置方法是不一样的。例如在namespace foo中有两组服务A和B，每组都有一些Pod，假设服务A的Pod对应的label为"app: A"，而服务B的Pod对应的label为"app: B"。这时在服务A所在的Pod中访问服务B，要将这一请求设置为STRICT模式，需要配置两处

1.服务器端配置，给服务B对应的负载配置PeerAuthentication策略，这里配置的是服务B所有关联Pod对应的Envoy Proxy。

   apiVersion: security.istio.io/v1beta1
   kind: PeerAuthentication
   metadata:
     name: default
     namespace: foo
   spec:
     selector:
       matchLabels:
         app: B
     mtls:
       mode: STRICT

2. 客户端配置，给服务B配置DestinationRule策略。这里配置的是所有访问服务B的Pod对应的Envoy Proxy。

   cat <<EOF | kubectl apply -n foo -f -
   apiVersion: "networking.istio.io/v1alpha3"
   kind: "DestinationRule"
   metadata:
     name: "B"
   spec:
     host: "B.foo.svc.cluster.local"
     trafficPolicy:
       tls:
         mode: ISTIO_MUTUAL
   EOF

也就是说客户端配置的时候需要配置目的服务的DestinationRule对象，而服务器端配置的时候需要配置服务器端对应负载的PeerAuthentication对象。
五、测试case1：默认配置
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

创建了3个namespace：foo, bar和legacy，每个namespace分别创建了sleep和httpbin两种应用，作为客户端和服务器端。在foo和bar中的Pod有对应的Envoy Proxy，而在legacy中则没有。下面是创建成功后的Pod情况
[root@master1 istio-1.6.0]# kubectl get pod --all-namespaces
NAMESPACE      NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
bar            httpbin-67576779c-tjl4m                 2/2     Running   0          31m
bar            sleep-7dc44b8d45-rfhpl                  2/2     Running   0          31m
foo            httpbin-67576779c-tw6kl                 2/2     Running   0          31m
foo            sleep-7dc44b8d45-87x2p                  2/2     Running   0          31m
legacy         httpbin-779c54bf49-h5wrw                1/1     Running   0          31m
legacy         sleep-f8cbf5b76-b8xgd                   1/1     Running   0          31m


在使用默认的default配置部署Istio的情况下，如果没有设置任何安全策略，默认是PERMISSIVE，即同时允许双向tls认证和不进行任何认证的明文传输两种方式。注意这只针对有Envoy Proxy的情况，因为这些策略最终的执行者是Envoy，而对于那些没有Envoy Proxy的Pod，例如legacy中的Pod，则只能使用明文方式进行收发数据。下面来验证这一点

[root@master1 istio-1.6.0]# for from in "foo" "bar" "legacy"; do for to in "foo" "bar" "legacy"; 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
sleep.foo to httpbin.foo: 200
sleep.foo to httpbin.bar: 200
sleep.foo to httpbin.legacy: 200
sleep.bar to httpbin.foo: 200
sleep.bar to httpbin.bar: 200
sleep.bar to httpbin.legacy: 200
sleep.legacy to httpbin.foo: 200
sleep.legacy to httpbin.bar: 200
sleep.legacy to httpbin.legacy: 200

可以看到任何两个sleep与httpbin之间都是可以连通的。但是如果进一步观察，发现这些认证方式其实是不同的
[root@master1 istio-1.6.0]# kubectl exec $(kubectl get pod -l app=sleep -n foo -o jsonpath={.items..metadata.name}) -c sleep -n foo -- curl http://httpbin.foo:8000/headers -s | grep X-Forwarded-Client-Cert
    "X-Forwarded-Client-Cert": "By=spiffe://cluster.local/ns/foo/sa/httpbin;Hash=41eb8aa0a91782fc1a09df8da85b586c5eaabbca3117f645cdb9df8d998b55f2;Subject=\"\";URI=spiffe://cluster.local/ns/foo/sa/sleep"

从foo中的sleep访问foo中的httpbin，header中带有"X-Forwarded-Client-Cert"表明使用了双向tls认证。
[root@master1 istio-1.6.0]# kubectl exec $(kubectl get pod -l app=sleep -n legacy -o jsonpath={.items..metadata.name}) -c sleep -n legacy -- curl http://httpbin.foo:8000/headers -s | grep X-Forwarded-Client-Cert
[root@master1 istio-1.6.0]#

而从legacy中的sleep访问legacy中的httpbin，header中则不会带有"X-Forwarded-Client-Cert"，因为客户端和服务器端都没有Envoy Proxy，只能进行没有任何加密的明文传输。

另外，还可以看出sleep.legacy发出去的请求都是明文数据，而sleep.httpbin收到的请求也都是明文数据。而foo和bar里面的Pod发送请求时则会优先使用双向tls认证方式(即下面四种)，这些可以自行测试验证。
sleep.foo to httpbin.foo: 200
sleep.foo to httpbin.bar: 200
sleep.bar to httpbin.foo: 200
sleep.bar to httpbin.bar: 200

清理命令
kubectl delete -f <(istioctl kube-inject -f samples/httpbin/httpbin.yaml) -n foo
kubectl delete -f <(istioctl kube-inject -f samples/sleep/sleep.yaml) -n foo
kubectl delete -f samples/httpbin/httpbin.yaml -n legacy
kubectl delete -f samples/sleep/sleep.yaml -n legacy
kubectl delete -f <(istioctl kube-inject -f samples/httpbin/httpbin.yaml) -n bar
kubectl delete -f <(istioctl kube-inject -f samples/sleep/sleep.yaml) -n bar
kubectl delete ns foo
kubectl delete ns legacy
kubectl delete ns bar

六、测试case2：针对特定服务的配置
首先，创建一个全局的安全策略，禁用所有的双向tls认证。
kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: "security.istio.io/v1beta1"
kind: "PeerAuthentication"
metadata:
  name: "default"
  namespace: "istio-system"
spec:
  mtls:
    mode: DISABLE
EOF

然后创建一个foo namespace，并在其中创建带有Envoy Proxy的sleep和httpbin
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

这时进行测试，会发现他们之间可以正常访问，但没有使用双向tls认证，这符合预期，说明全局策略生效。
[root@master1 istio-1.6.0]# kubectl exec $(kubectl get pod -l app=sleep -n foo -o jsonpath={.items..metadata.name}) -c sleep -n foo -- curl "http://httpbin.foo:8000/ip" -s -o /dev/null -w "sleep.foo to httpbin.foo: %{http_code}\n"
sleep.foo to httpbin.foo: 200
[root@master1 istio-1.6.0]# kubectl exec $(kubectl get pod -l app=sleep -n foo -o jsonpath={.items..metadata.name}) -c sleep -n foo -- curl http://httpbin.foo:8000/headers -s | grep X-Forwarded-Client-Cert
[root@master1 istio-1.6.0]#

接下来为服务器端配置PeerAuthentication策略，让其强制执行双向tls认证
cat <<EOF | kubectl apply -n foo -f -
apiVersion: "security.istio.io/v1beta1"
kind: "PeerAuthentication"
metadata:
  name: "httpbin"
  namespace: "foo"
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: httpbin
  mtls:
    mode: STRICT
EOF

这时再次进行测试
[root@master1 istio-1.6.0]# kubectl exec $(kubectl get pod -l app=sleep -n foo -o jsonpath={.items..metadata.name}) -c sleep -n foo -- curl "http://httpbin.foo:8000/ip" -s -o /dev/null -w "sleep.foo to httpbin.foo: %{http_code}\n"
sleep.foo to httpbin.foo: 503
[root@master1 istio-1.6.0]#

出现了503错误，这其实是一个tls冲突，因为截至目前为止我们为服务器端设置了强制使用双向tls认证，但是客户端还未设置。

接下来设置客户端。
cat <<EOF | kubectl apply -n foo -f -
apiVersion: "networking.istio.io/v1alpha3"
kind: "DestinationRule"
metadata:
  name: "httpbin"
spec:
  host: "httpbin.foo.svc.cluster.local"
  trafficPolicy:
    tls:
      mode: ISTIO_MUTUAL
EOF

然后进行测试，发现现在已经可以正常访问，且使用了双向tls认证，符合预期。
[root@master1 istio-1.6.0]# kubectl exec $(kubectl get pod -l app=sleep -n foo -o jsonpath={.items..metadata.name}) -c sleep -n foo -- curl "http://httpbin.foo:8000/ip" -s -o /dev/null -w "sleep.foo to httpbin.foo: %{http_code}\n"
sleep.foo to httpbin.foo: 200
[root@master1 istio-1.6.0]# kubectl exec $(kubectl get pod -l app=sleep -n foo -o jsonpath={.items..metadata.name}) -c sleep -n foo -- curl http://httpbin.foo:8000/headers -s | grep X-Forwarded-Client-Cert
    "X-Forwarded-Client-Cert": "By=spiffe://cluster.local/ns/foo/sa/httpbin;Hash=b8a73b2655b270e23eda820e49c56cc9b16521d98cb6c1896eff41c58cc32d56;Subject=\"\";URI=spiffe://cluster.local/ns/foo/sa/sleep"
[root@master1 istio-1.6.0]#

清理命令

kubectl delete PeerAuthentication httpbin -n foo
kubectl delete DestinationRule httpbin -n foo
kubectl delete -f <(istioctl kube-inject -f samples/httpbin/httpbin.yaml) -n foo
kubectl delete -f <(istioctl kube-inject -f samples/sleep/sleep.yaml) -n foo
kubectl delete ns foo