Istio 安全基础

2023-11-24 10:26:56 浏览数 (1)

安全是一个非常重要的话题，但也是平时容易被忽略的一个话题，我们在开发应用的时候，往往会忽略安全，但是当应用上线后，安全问题就会暴露出来，这时候就会造成很大的损失。Istio 通过在服务之间注入 Sidecar 代理，来实现对服务之间的流量进行控制和监控，从而实现服务之间的安全通信。

接下来我们将从证书管理、认证、授权等几个方面来学习 Istio 的安全机制。

安全概述

将单一应用程序拆分为微服务可提供各种好处，包括更好的灵活性、可伸缩性以及服务复用的能力。但是，微服务也有特殊的安全需求：

  • 为了抵御中间人攻击，需要流量加密。
  • 为了提供灵活的服务访问控制，需要双向 TLS 和细粒度的访问策略。
  • 要确定谁在什么时候做了什么，需要审计工具。

Istio 尝试提供全面的安全解决方案来解决所有这些问题，Istio 安全性可以减轻针对你的数据、端点、通信和平台的内外威胁。

安全概述

Istio 为微服务提供了无侵入，可插拔的安全框架。应用不需要修改代码，就可以利用 Istio 提供的双向 TLS 认证实现服务身份认证，并基于服务身份信息提供细粒度的访问控制。Istio 安全的高层架构如下图所示：

安全架构

上图展示了 Istio 中的服务认证和授权两部分。服务认证是通过控制面和数据面一起实现的：

  • 控制面：Istiod 中实现了一个 CA （Certificate Authority，证书机构） 服务器。该 CA 服务器负责为网格中的各个服务签发证书，并将证书分发给数据面的各个服务的边车代理。
  • 数据面：在网格中的服务相互之间发起 plain HTTP/TCP 通信时，和服务同一个 pod 中的边车代理会拦截服务请求，采用证书和对端服务的边车代理进行双向 TLS 认证并建立一个 TLS 连接，使用该 TLS 连接来在网络中传输数据。

Istio 的授权功能为网格中的工作负载提供网格、命名空间和工作负载级别的访问控制，这种控制层级提供了许多优点：

  • 工作负载到工作负载以及最终用户到工作负载的授权。
  • 一个简单的 API：它包括一个单独的并且很容易使用和维护的 AuthorizationPolicy CRD。
  • 灵活的语义：运维人员可以在 Istio 属性上定义自定义条件，并使用 DENY 和 ALLOW 动作。
  • 高性能：Istio 授权是在 Envoy 本地强制执行的。
  • 高兼容性：原生支持 HTTP、HTTPS 和 HTTP2，以及任意普通 TCP 协议。

授权策略对服务器端 Envoy 代理的入站流量实施访问控制。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。运维人员可以通过 YAML 资源清单文件来指定 Istio 授权策略。

授权策略

证书签发流程

默认情况下，Istio CA 生成自签名根证书和密钥，并使用它们来签署工作负载证书。为了保护根 CA 密钥，我们应该使用在安全机器上离线运行的根 CA（比如使用 Hashicorp Vault 进行管理），并使用根 CA 向每个集群中运行的 Istio CA 颁发中间证书。Istio CA 可以使用管理员指定的证书和密钥对工作负载证书进行签名，并将管理员指定的根证书作为信任根分发给工作负载。

CA

签发证书

当我们有了 Istio CA 根证书后就可以使用它来签发工作负载证书了，那么整个的证书签发流程又是怎样的呢？如下图所示：

证书签发流程

  • Envoy 向 pilot-agent 发起一个 SDS (Secret Discovery Service) 请求（启动的时候），要求获取自己的证书和私钥。
  • pilot-agent 生成私钥和 CSR 证书签名请求，向 Istiod 发送证书签发请求，请求中包含 CSR 和该 Pod 中服务的身份信息。
  • Istiod 提供 gRPC 服务以接受证书签名请求，根据请求中服务的身份信息（如果是 Kubernetes 则使用 Service Account）为其签发证书，将证书返回给 pilot-agent。
  • pilot-agent 将证书和私钥通过 SDS 接口返回给 Envoy。
  • pilot-agent 还会监控工作负载证书的过期时间，上述过程会定期重复进行证书和密钥轮换。

这个流程和我们自己用手动方式去进行证书签发是一样的，所以我们需要先了解下证书签发的流程。Istio CA 根证书就是一个证书颁发机构，平时如果要为我们自己的网站申请 HTTPS 证书我们也是去一些正规的 CA 机构进行申请，而这个申请的信息就是生成的 CSR 证书签名请求，然后我们将这个 CSR 和身份信息提交给 CA 机构，CA 机构根据这些信息为我们签发证书，然后我们就可以使用这个证书了，只是我们这里在不同的组件上来执行这些操作，整体流程是一样的。

身份认证

另外要通过服务证书来实现网格中服务的身份认证，必须首先确保服务从控制面获取自身证书的流程是安全的。Istio 通过 Istiod 和 pilog-agent 之间的 gRPC 通道传递 CSR 和证书，因此在这两个组件进行通信时，双方需要先验证对方的身份，以避免恶意第三方伪造 CSR 请求或者假冒 Istiod CA 服务器。Istio 中主要包含下面两种认证方式：

  • Istiod 身份认证
    • Istiod 采用其内置的 CA 服务器为自身签发一个服务器证书，并采用该服务器证书对外提供基于 TLS 的 gPRC 服务。
    • Istiod 调用 Kubernetes APIServer 生成一个名为 istio-ca-root-cert 的 ConfigMap 对象， 在该 ConfigMap 中放入了 Istiod 的 CA 根证书。
    • 该 ConfigMap 被 Mount 到 istio-proxy 容器中，被 pilot-agent 用于验证 Istiod 的服务器证书。
    • 在 pilot-agent 和 Istiod 建立 gRPC 连接时，pilot-agent 采用标准的 TLS 服务器认证流程对 Istiod 的服务器证书进行认证。
  • pilot-agent 身份认证
    • 在 Kubernetes 中可以为每一个 Pod 关联一个 ServiceAccount，以表明该 Pod 中运行的服务的身份信息。
    • Kubernetes 会为该 ServiceAccount 生成一个 jwt token，并将该 token 通过 secret 加载到 pod 中的一个文件。
    • pilot-agent 在向 Istiod 发送 CSR 时，将其所在 Pod 的 service account token 也随请求发送给 Istiod。
    • Istiod 调用 Kube-apiserver 接口验证请求中附带的 service account token，以确认请求证书的服务身份是否合法。

这里需要注意的是不同版本的 Kubernetes 集群下面的 ServiceAccount Token 生成方式并不一样，但最终都是通过改 Token 来进行身份认证的。

  • 1.20（含 1.20）之前的版本，在创建 sa 时会自动创建一个 secret，然后这个会把这个 secret 通过投射卷挂载到 pod 里，该 secret 里面包含的 token 是永久有效的。
  • 1.21~1.23 版本，在创建 sa 时也会自动创建 secret，但是在 pod 里并不会使用 secret 里的 token，而是由 kubelet 到 TokenRequest API 去申请一个 token，该 token 默认有效期为一年，但是 pod 每一个小时会更新一次 token。
  • 1.24 版本及以上，在创建 sa 时不再自动创建 secret 了，只保留由 kubelet 到 TokenRequest API 去申请 token。

认证

Istio 提供两种类型的认证用于管控网格服务间的双向 TLS 和终端用户的身份认证。：

  • 对等认证：用于服务到服务的认证，以验证建立连接的客户端。Istio 提供双向 TLS 作为传输认证的全栈解决方案，无需更改服务代码就可以启用它。这个解决方案：
    • 为每个服务提供代表其角色的强大身份，以实现跨集群和云的互操作性。
    • 确保服务间通信的安全。
    • 提供密钥管理系统，以自动进行密钥和证书的生成、分发和轮换。
  • 请求认证：用于终端用户认证，以验证附加到请求的凭据。Istio 使用 JSON Web Token（JWT）验证启用请求级认证，并使用自定义认证实现或任何 OpenID Connect 的认证实现来简化的开发人员体验。

对等认证

下面我们来创建几个示例服务来对认证配置进行测试。这里我们将在 foo 和 bar 命名空间下各自创建带有 Envoy 代理（Sidecar）的 httpbin 和 sleep 服务。还将在 legacy 命名空间下创建不带 Envoy 代理（Sidecar）的 httpbin 和 sleep 服务：

代码语言：javascript复制
$ 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

现在可以在 foo、bar 或 legacy 三个命名空间下的任意 sleep Pod 中使用 curl 向 httpbin.foo、httpbin.bar 或 httpbin.legacy 发送 HTTP 请求来验证部署结果，所有请求都应该成功并返回 HTTP 200。

例如验证 sleep.bar 到 httpbin.foo 可达性如下：

代码语言：javascript复制
$ kubectl exec "$(kubectl get pod -l app=sleep -n bar -o jsonpath={.items..metadata.name})" -c sleep -n bar -- curl http://httpbin.foo:8000/ip -s -o /dev/null -w "%{http_code}n"
200

也可以使用一行指令检查所有可能的组合：

代码语言：javascript复制
$ 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 ${from} -- curl -s "http://httpbin.${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

这样保证了我们的服务之间是可以互相访问的，接下来我们就来看下如何对服务进行认证。

默认情况下，在 Istio 网格内部的服务之间的所有流量都是通过双向 TLS 进行加密的，不需要做额外的操作，当使用双向 TLS 时，代理会将 X-Forwarded-Client-Cert 这个 Header 头注入到后端的上游请求，这个头信息的存在就是启用双向 TLS 的证据。例如：

代码语言：javascript复制
$ kubectl exec "$(kubectl get pod -l app=sleep -n foo -o jsonpath={.items..metadata.name})" -c sleep -n foo -- curl -s http://httpbin.foo:8000/headers -s
{
  "headers": {
    "Accept": "*/*",
    "Host": "httpbin.foo:8000",
    "User-Agent": "curl/7.81.0-DEV",
    "X-B3-Parentspanid": "a59be7609a15c41f",
    "X-B3-Sampled": "1",
    "X-B3-Spanid": "034af52cfc2286b4",
    "X-B3-Traceid": "eb07847c5c14c17fa59be7609a15c41f",
    "X-Envoy-Attempt-Count": "1",
    "X-Forwarded-Client-Cert": "By=spiffe://cluster.local/ns/foo/sa/httpbin;Hash=bb907e90c93bc3f1dd22763f952746e7d2b8c5ad7903ecbcc64324f3b5e55179;Subject="";URI=spiffe://cluster.local/ns/foo/sa/sleep"
  }
}

可以看到上面我们的请求中包含了 X-Forwarded-Client-Cert 这个 Header 头，这就是启用双向 TLS 的证据，得到的这个值是一个 spiffe:// 开头的字符串，这个字符串就是 SPIFFE ID，这个 SPIFFE ID 就是用来表示服务的身份的，后面我们会详细介绍 SPIFFE。

零信任架构下，需要严格区分工作负载的识别和信任，而签发 X.509 证书是推荐的一种认证方式，在 Kubernetes 集群中，服务间是通过 DNS 名称互相访问的，而网络流量可能被 DNS 欺骗、BGP/路由劫持、ARP 欺骗等手段劫持，为了将服务名称（DNS 名称）与服务身份强关联起来，Istio 使用置于 X.509 证书中的安全命名（Secure naming）机制。

SPIFFE 是 Istio 所采用的安全命名的规范，它也是云原生定义的一种标准化的、可移植的工作负载身份规范。Secure Production Identity Framework For Everyone (SPIFFE) 是一套服务之间相互进行身份识别的标准，主要包含以下内容：

  • SPIFFE ID 标准，SPIFFE ID 是服务的唯一标识，具体实现使用 URI 资源标识符。
  • SPIFFE Verifiable Identity Document (SVID) 标准，将 SPIFFE ID 编码到一个加密的可验证的数据格式中。
  • 颁发与撤销 SVID 的 API 标准。

SPIFFE ID 规定了形如 spiffe://<trust domain>/<workload identifier> 的 URI 格式，作为工作负载（Workload）的唯一标识。Istio 使用形如 spiffe://<trust_domain>/ns/<namespace>/sa/<service_account> 格式的 SPIFFE ID 作为安全命名，注入到 X.509 证书的 subjectAltName 扩展中。其中的 trust domain 参数通过 Istiod 环境变量 TRUST_DOMAIN 注入，用于在多集群环境中交互，比如我们这里就是 cluster.local，所以其实最终在 Envoy 的配置中可以看到匹配证书的 subjectAltName 值也是这个格式：

代码语言：javascript复制
{
  "combined_validation_context": {
    "default_validation_context": {
      "match_subject_alt_names": [
        {
          "exact": "spiffe://cluster.local/ns/istio-system/sa/istiod"
        }
      ]
    },
    "validation_context_sds_secret_config": {
      "name": "ROOTCA",
      "sds_config": {
        "api_config_source": {
          "api_type": "GRPC",
          "grpc_services": [
            {
              "envoy_grpc": {
                "cluster_name": "sds-grpc"
              }
            }
          ],
          "set_node_on_first_message_only": true,
          "transport_api_version": "V3"
        },
        "initial_fetch_timeout": "0s",
        "resource_api_version": "V3"
      }
    }
  }
}

当服务器没有 Sidecar 时，X-Forwarded-Client-Cert 这个 Header 头将不会存在，这意味着请求是明文的，比如我们请求 httpbin.legacy 服务：

代码语言：javascript复制
kubectl exec "$(kubectl get pod -l app=sleep -n foo -o jsonpath={.items..metadata.name})" -c sleep -n foo -- curl http://httpbin.legacy:8000/headers -s | grep X-Forwarded-Client-Cert

全局严格 mTLS 模式

事实上当 Istio 自动将代理和工作负载之间的所有流量升级到双向 TLS 时，工作负载仍然可以接收明文流量，如果想要禁用非 mTLS 的通信流量，我们可以使用一个 PeerAuthentication 资源对象来进行配置，只需要将整个网格的对等认证策略设置为 STRICT 模式，作用域为整个网格范围的对等认证策略不设置 selector 即可，这种认证策略必须应用于根命名空间（istiod 所在的命名空间），例如：

代码语言：javascript复制
apiVersion: security.istio.io/v1beta1
kind: PeerAuthentication # 对等认证策略
metadata:
  name: default
  namespace: istio-system
spec:
  mtls:
    mode: STRICT # STRICT 模式表示只允许 mTLS

对等认证策略指定 Istio 对目标工作负载实施的双向 TLS 模式。支持以下模式：

  • PERMISSIVE：工作负载接受双向 TLS 和纯文本流量，也就是所谓的宽容模式。此模式在迁移因为没有 Sidecar 而无法使用双向 TLS 的工作负载的过程中非常有用。一旦工作负载完成 Sidecar 注入的迁移，应将模式切换为 STRICT。
  • STRICT：工作负载仅接收双向 TLS 流量。
  • DISABLE：禁用双向 TLS。从安全角度来看，除非提供自己的安全解决方案，否则请勿使用此模式。

这个对等认证策略将工作负载配置为仅接受 mTLS 加密的请求。由于未对 selector 字段指定值，因此该策略适用于网格中的所有工作负载。

直接应用上面这个对等认证策略后，我们再次发送请求来进行测试：

代码语言：javascript复制
$ 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 ${from} -- curl -s "http://httpbin.${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: 000
command terminated with exit code 56
sleep.legacy to httpbin.bar: 000
command terminated with exit code 56
sleep.legacy to httpbin.legacy: 200

我们可以发现从 sleep.legacy 到 httpbin.foo 和 httpbin.bar 的请求都失败了，其他依然是成功的，这是因为我们现在配置了 STRICT 严格要求使用 mTLS，由于 sleep.legacy 没有 Envoy Sidecar，所以无法满足这一要求，所以要访问网格内部的工作负载是不被允许的。那为什么可以访问 httpbin.legacy 呢？这是因为我们在 legacy 命名空间下的 httpbin 服务没有 Envoy Sidecar，所以它不会被 Istio 管理，也就不会被强制要求使用 mTLS 了，所以我们可以直接访问它。

命名空间级别策略

上面我们是在根命名空间（istiod 所在的命名空间）下配置的对等认证策略，这样会影响到整个网格，如果我们只想对某个命名空间下的服务进行配置，那么我们可以使用命名空间级别的对等认证策略，该策略的规范与整个网格级别的规范相同，但是可以在 metadata 字段指定具体的命名空间的名称。比如我们要在 foo 命名空间上启用严格的双向 TLS 对等策略，可以创建如下所示的资源对象：

代码语言：javascript复制
apiVersion: security.istio.io/v1beta1
kind: PeerAuthentication
metadata:
  name: default
  namespace: foo # 命名空间级别
spec:
  mtls:
    mode: STRICT

直接应用上面的资源对象，然后再次发送请求来进行测试：

代码语言：javascript复制
# 首先删除上面创建的全局对等认证策略
$ kubectl delete peerauthentication -n istio-system default
$ 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: 000
command terminated with exit code 56
sleep.legacy to httpbin.bar: 200
sleep.legacy to httpbin.legacy: 200

由于这些策略只应用于命名空间 foo 中的服务，正常我们会看到只有从没有 Sidecar 的客户端（sleep.legacy）到有 Sidecar 的客户端（httpbin.foo）的请求会失败，其余都是成功的。

为每个工作负载启用双向 TLS

要为特定工作负载设置对等认证策略，我们就必须配置 selector 字段指定与所需工作负载匹配的标签。比如我们只想要为 httpbin.bar 服务启用严格模式的 mTLS，则可以创建如下所示的资源对象：

代码语言：javascript复制
apiVersion: security.istio.io/v1beta1
kind: PeerAuthentication
metadata:
  name: "httpbin"
  namespace: "bar"
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: httpbin # 匹配 httpbin 应用的标签
  mtls:
    mode: STRICT

上面的资源对象将为 bar 命名空间中的 httpbin 应用启用严格模式的 mTLS，其他工作负载不受影响。直接应用上面的资源对象，然后再次发送请求来进行测试：

代码语言：javascript复制
$ 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: 000
command terminated with exit code 56
sleep.legacy to httpbin.bar: 000
command terminated with exit code 56
sleep.legacy to httpbin.legacy: 200

跟预期一样，从 sleep.legacy 到 httpbin.bar 的请求因为同样的原因失败。

除此之外我们还可以为每个端口配置不同的对等认证策略，例如，以下对等认证策略要求在除 80 端口以外的所有端口上都使用双向 TLS：

代码语言：javascript复制
apiVersion: security.istio.io/v1beta1
kind: PeerAuthentication
metadata:
  name: "httpbin"
  namespace: "bar"
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: httpbin
  mtls:
    mode: STRICT
  portLevelMtls:
    80:
      mode: DISABLE

上面的资源对象中我们配置了一个 portLevelMtls 字段，该字段用于配置端口级别的对等认证策略，这里我们配置了 80 端口的对等认证策略为 DISABLE，即禁用双向 TLS，其他端口的对等认证策略为 STRICT，即启用双向 TLS，也就是说我们只允许 httpbin 应用的 80 端口接收明文流量，其他端口都必须使用双向 TLS。直接应用上面的资源对象，然后再次发送请求来进行测试：

代码语言：javascript复制
$ 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: 000
command terminated with exit code 56
sleep.legacy to httpbin.bar: 200
sleep.legacy to httpbin.legacy: 200

可以看到现在我们从 sleep.legacy 到 httpbin.bar 的请求成功了，因为我们禁用了 80 端口的双向 TLS，所以 sleep.legacy 可以访问到 httpbin.bar 的服务了。

测试完成后记得删除上面创建的对等认证策略：

代码语言：javascript复制
$ kubectl delete peerauthentication default -n foo
$ kubectl delete peerauthentication httpbin -n bar

请求认证

Istio 的请求认证用于终端用户认证，以验证附加到请求的凭据。Istio 使用 JWT 验证启用请求级认证，并使用自定义认证实现或任何 OpenID Connect 的认证实现来进行认证简化。

要在 Istio 中进行请求认证，可以通过一个 RequestAuthentication 资源对象来进行配置，如果请求包含无效的认证信息，它将根据配置的认证规则拒绝该请求。不包含任何认证凭证的请求将被接受，但不会有任何认证的身份。

JWK 与 JWKS 概述

Istio 使用 JWT 对终端用户进行身份验证，Istio 要求提供 JWKS 格式的信息，用于 JWT 签名验证。因此这里得先介绍一下 JWK 和 JWKS。

JWK 即 JSON Web Key，是 JWT 的秘钥，它描述了一个加密密钥（公钥或私钥）的值及其各项属性。JWKS 描述一组 JWK 密钥，JWKS 的 JSON 文件格式如下:

代码语言：javascript复制
{
"keys": [
  <jwk-1>,
  <jwk-2>,
  ...
]}

Istio 使用 JWK 描述验证 JWT 签名所需要的信息。在使用 RSA 签名算法时，JWK 描述的应该是用于验证的 RSA 公钥。一个 RSA 公钥的 JWK 描述如下：

代码语言：javascript复制
{
    "alg": "RS256",  # 算法「可选参数」
    "kty": "RSA",    # 密钥类型
    "use": "sig",    # 被用于签名「可选参数」
    "kid": "DHFxxxxx_-envvQ",  # key 的唯一 id
    "n": "xAExxxxMQ", 公钥的指数(exponent)
    "e": "AQAB"  # 公钥的模数(modulus)
}

那么需要如何生成 JWK 呢？我们可以使用 https://github.com/lestrrat-go/jwx 这个命令行工具，这是一个用 Go 语言开发的命令行工具，内置了对各种 JWx(JWT, JWK, JWA, JWS, JWE) 的支持。

我们可以使用下面的命令来安装 jwx 命令行工具:

代码语言：javascript复制
$ export GOPROXY="https://goproxy.io"
$ git clone https://github.com/lestrrat-go/jwx.git
$ cd jwx
$ make jwx
go: downloading github.com/lestrrat-go/jwx/v2 v2.0.11
go: downloading github.com/urfave/cli/v2 v2.24.4
# ......
go: downloading github.com/russross/blackfriday/v2 v2.1.0
go: downloading golang.org/x/sys v0.8.0
Installed jwx in /root/go/bin/jwx

下面我们使用 jwx 命令行工具生成一个 JWK，通过模板指定 kid 为 youdianzhishi-key:

代码语言：javascript复制
$ jwx jwk generate --keysize 4096 --type RSA  --template '{"kid":"youdianzhishi-key"}' -o rsa.jwk
$ cat rsa.jwk
{
  "d": "AxxxwBw6Jok",
  "dp": "j3xxxuvQ",
  "dq": "zzxxxqQ",
  "e": "AQAB",
  "kid": "youdianzhishi-key",
  "kty": "RSA",
  "n": "5sxxxwV8",
  "p": "-yxxxQ",
  "q": "6zkC_xxxxKw",
  "qi": "LExxxTw"
}

然后从 rsa.jwk 中提取 JWK 公钥:

代码语言：javascript复制
$ jwx jwk fmt --public-key -o rsa-public.jwk rsa.jwk
$ cat rsa-public.jwk
{
  "e": "AQAB",
  "kid": "youdianzhishi-key",
  "kty": "RSA",
  "n": "5sxxxV8"
}

上面生成的 JWK 其实就是 RSA 公钥私钥换了一种存储格式而已，我们可以使用下面的命令将它们转换成 PEM 格式的公钥和私钥:

代码语言：javascript复制
$ jwx jwk fmt -I json -O pem rsa.jwk
-----BEGIN PRIVATE KEY-----
MIIJRAIBADANBgkqhkiG9w0BAQEFAASCCS4wggkqAgEAAoICAQCym3O0Ik5QGZ8i
......
-----END PRIVATE KEY-----

$ jwx jwk fmt -I json -O pem rsa-public.jwk
-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIICIjANBgkqhkiG9w0BAQEFAAOCAg8AMIICCgKCAgEAsptztCJOUBmfIqSE8LR5
......
-----END PUBLIC KEY-----

接下来我们就可以使用 jwx 命令行签发 JWT Token 并验证其有效性了：

代码语言：javascript复制
jwx jws sign --key rsa.jwk --alg RS256 --header '{"typ":"JWT"}' -o token.txt - <<EOF
{
  "iss": "testing@secure.istio.io",
  "sub": "cnych001",
  "iat": 1700648397,
  "exp": 1700656042,
  "name": "Yang Ming"
}
EOF

然后查看生成的 Token 文件内容：

代码语言：javascript复制
$ cat token.txt
eyJhbGciOiJSUzI1NiIsImtpZCI6InlvdWRpYW56aGlzaGkta2V5In0......

上面生成 JWT Token 实际上是由下面的算法生成的:

代码语言：javascript复制
base64url_encode(Header)   '.'   base64url_encode(Claims)   '.'   base64url_encode(Signature)

我们可以将该 Token 粘贴到 jwt.io 网站上来解析：

jwt

先看一下 Headers 部分，包含了一些元数据:

  • alg: 所使用的签名算法，这里是 RSA256
  • kid: JWK 的 kid

然后是 Payload(Claims) 部分，payload 包含了这个 token 的数据信息，JWT 标准规定了一些字段，另外还可以加入一些承载额外信息的字段。

  • iss: issuer，token 是谁签发的
  • sub: token 的主体信息，一般设置为 token 代表用户身份的唯一 id 或唯一用户名
  • exp: token 过期时间，Unix 时间戳格式
  • iat: token 创建时间， Unix 时间戳格式

最后看一下签名 Signature 信息，签名是基于 JSON Web Signature (JWS) 标准来生成的，签名主要用于验证 token 是否有效，是否被篡改。签名支持很多种算法，这里使用的是 RSASHA256，具体的签名算法如下:

代码语言：javascript复制
RSASHA256(
  base64UrlEncode(header)   "."  
  base64UrlEncode(payload),
  <rsa-public-key>,
  <rsa-private-key>

最后可以使用 RSA Public Key 验证 JWT Token 的有效性:

代码语言：javascript复制
$ jwx jws verify --alg RS256 --key rsa-public.jwk token.txt
{
  "iss": "testing@secure.istio.io",
  "sub": "cnych001",
  "iat": 1700648397,
  "exp": 1700656042,
  "name": "Yang Ming"
}

配置 JWT 终端用户认证

上面我们了解了 JWT、JWK、JWKS 这些概念，接下来我们来配置 Istio 的认证策略使用我们自己创建的 JWKS。

为了方便访问，我们这里通过 Ingress 网关来暴露 httpbin.foo 服务，为其创建一个 Gateway 对象：

代码语言：javascript复制
kubectl apply -f samples/httpbin/httpbin-gateway.yaml -n foo

可以通过如下命令获取 HTTP 的访问端口：

代码语言：javascript复制
export INGRESS_PORT=$(kubectl -n istio-system get service istio-ingressgateway -o jsonpath='{.spec.ports[?(@.name=="http2")].nodePort}')

然后获取集群中任意一个节点的 IP 地址：

代码语言：javascript复制
export INGRESS_HOST=$(kubectl get po -l istio=ingressgateway -n istio-system -o jsonpath='{.items[0].status.hostIP}')

然后可以通过下面的命令来测试 httpbin.foo 服务是否可以正常访问：

代码语言：javascript复制
curl "$INGRESS_HOST:$INGRESS_PORT/headers" -s -o /dev/null -w "%{http_code}n"

如果上面命令返回 200，则表示 httpbin.foo 服务可以正常访问。

接下来我们就可以添加一个请求认证策略对象，该策略要求 Ingress 网关指定终端用户的 JWT。

代码语言：javascript复制
apiVersion: "security.istio.io/v1"
kind: RequestAuthentication
metadata:
  name: jwt-example
  namespace: istio-system
spec:
  selector:
    matchLabels:
      istio: ingressgateway
  jwtRules:
    - issuer: "testing@secure.istio.io" # 签发者，需要和 JWT payload 中的 iss 属性完全一致。
      # forwardOriginalToken: true
      jwks: |
        {
            "keys": [
              {
                "e": "AQAB",
                "kid": "youdianzhishi-key",
                "kty": "RSA",
                "n": "5sbkUCkQDuM3hiw9UTxmxO2wUYOT69IZje7M6O_R-ApJ3KkrhQS1C2SJelBTLgbaWhAsO4jBYOmFfWGLBA-XxrhoB9KxWCGA4EXf6fukp0ljGTYE6Th6r393jIJGDFUt8vQCjj5ivmBAQHLjwmnWiG6I93mrTQhoNHQWAde21O7yYNpg6fvjVJgRFqeAtpieA-5f2sQ8fBkefM0RFgQTqWPGfLHse5nqRWY4hG_gb23GzCo_Ti2h9wJZNuTfdK8hitahOq3eLlDVVvCu8hx-8BEs5APCj54gtqePswHeRXZi_03ccNii5CnW7Y1rHiL8LHKNHhY5tD2iZByh4YrnhkUWD-CXNqyUKx90de0R9H1ON6pqsmdEx4iAMx2xvnZ0S9NbKlk3glw_AvudjJUHa41xx7qy9OZ7QV6cB_ntwLtw513lk5Tfm-RDlVgyU-EO2jKXbOeiDpnb8kgRNBMKDqY9mgLfISW54N-LBjyVwVVHOvICWo0oPJypRgPRWD8f25wHqzjlsB8nIqJkj_e9p2c5WnAGiZWuZjm6t94IfFq9lWYUsSn-JtJvh3ATsv7ptDKFz2Ko82r1uD3446mr4I0J56C-7WOHGchlSOrDWKErwkIGxyrQ_3GEkUhkSxfArAv0bajmcMCu1_j8Eekqk7Fnm5QqytCFmFevzIJkwV8"
              }
            ]
        }

在上面的资源对象中我们通过 selector 匹配了 istio-ingressgateway 服务，因为我们要为 Ingress 网关添加请求认证，具体的请求认证规则通过 jwtRules 来进行配置，这里我们配置了一个 issuer 字段，该字段用于指定 JWT 的 Issuer 发行人，然后配置了一个 jwks 字段，该字段用于指定 JWT 的公钥集数据，我们也可以通过 jwksUri 来指向一个公钥集地址。对同一个 issuers（jwt 签发者），可以设置多个公钥，以实现 JWT 签名密钥的轮转。JWT 的验证规则是：

  • JWT 的 payload 中有 issuer 属性，首先通过 issuer 匹配到对应的 istio 中配置的 jwks。
  • JWT 的 header 中有 kid 属性，第二步在 jwks 的公钥列表中，中找到 kid 相同的公钥。
  • 使用找到的公钥进行 JWT 签名验证。

配置中的 spec.selector 可以省略，这样会直接在整个命名空间中生效，比如在 istio-system 命名空间，该配置将在全集群的所有 sidecar/ingressgateway 上生效！

默认情况下，Istio 在完成了身份验证之后，会去掉 Authorization 请求头再进行转发。这将导致我们的后端服务获取不到对应的 Payload，无法判断终端用户的身份。因此我们需要启用 Istio 的 Authorization 请求头的转发功能，只需要在上面的资源对象中添加一个 forwardOriginalToken: true 字段即可。

直接应用上面的资源对象，然后再次发送请求来进行测试：

代码语言：javascript复制
$ curl "$INGRESS_HOST:$INGRESS_PORT/headers" -s -o /dev/null -w "%{http_code}n"
200

可以看到现在依然可以正常访问，但是如果我们请求的时候带上一个无效的 JWT Token，则会返回 401 错误：

代码语言：javascript复制
$ curl --header "Authorization: Bearer abcdef" "$INGRESS_HOST:$INGRESS_PORT/headers" -s -o /dev/null -w "%{http_code}n"
401

要想正常访问，我们需要使用上面生成的 JWT Token 来进行访问：

代码语言：javascript复制
$ TOKEN=$(cat token.txt)
$ curl --header "Authorization: Bearer $TOKEN" "$INGRESS_HOST:$INGRESS_PORT/headers" -s -o /dev/null -w "%{http_code}n"
200

可以看到就可以正常访问了。

设置强制认证规则

从上面的测试可以看出 Istio 的 JWT 验证规则，默认情况下会直接忽略不带 Authorization 请求头（即 JWT）的流量，因此这类流量能直接进入网格内部。通常这是没问题的，因为没有 Authorization 的流量即使进入到内部，也会因为无法通过 payload 判别身份而被拒绝操作。但是如果我们需要禁止不带 JWT 的流量，那么可以通过一个 AuthorizationPolicy 对象来进行配置了。

比如拒绝任何 JWT 无效的请求，则可以创建如下 d 资源对象：

代码语言：javascript复制
apiVersion: security.istio.io/v1
kind: AuthorizationPolicy
metadata:
  name: deny-requests-without-authorization
  namespace: istio-system
spec:
  selector:
    matchLabels:
      istio: ingressgateway
  action: DENY # 拒绝
  rules:
    - from:
        - source:
            notRequestPrincipals: ["*"] # 不存在任何请求身份（Principal）的 requests

上面的资源对象中我们配置的 action: DENY 表示拒绝，然后通过 rules 字段来配置拒绝的规则，这里我们配置了一个 from 字段，该字段用于指定请求的来源，这里我们配置了一个 notRequestPrincipals 字段，该字段用于指定请求的身份，这里我们配置为 *，表示任何请求身份都不允许。

应用上面的资源对象后，重新发送没有令牌的请求，请求失败并返回错误码 403：

代码语言：javascript复制
$ curl "$INGRESS_HOST:$INGRESS_PORT/headers" -s -o /dev/null -w "%{http_code}n"
403

如果仅希望强制要求对部分 path 的请求必须带有 Authorization Header，可以这样设置：

代码语言：javascript复制
apiVersion: security.istio.io/v1beta1
kind: AuthorizationPolicy
metadata:
  name: deny-requests-without-authorization
  namespace: istio-system
spec:
  selector:
    matchLabels:
      istio: ingressgateway
  action: DENY # 拒绝
  rules:
    - from:
        - source:
            notRequestPrincipals: ["*"] # 不存在任何请求身份的 requests
      # 仅强制要求如下 host/path 相关的请求，必须带上 JWT token
      to:
        - operation:
            hosts: ["another-host.com"]
            paths: ["/headers"]

需要注意的是 RequestsAuthentication 和 AuthorizationPolicy 这两个对象返回的错误码是不同的：

  • RequestsAuthentication 验证失败的请求，Istio 会返回 401 状态码。
  • AuthorizationPolicy 验证失败的请求，Istio 会返回 403 状态码。

到这里我们就实现了对 JWT 的验证，当然除了验证之外，我们还需要授权，这个我们在下面的章节中来实现。

参考文档

  • https://www.zhaohuabing.com/post/2020-05-25-istio-certificate/
  • https://istio.io/latest/docs/concepts/security/
  • https://github.com/YaoZengzeng/KubernetesResearch/blob/master/Istio安全框架解析.md
安全 istio 服务 基础 配置

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