安全保障基于软件全生命周期-Istio的认证机制_istio peerauthentication

在介绍Istio的认证机制前，先了解一些安全领域的理论知识。传统网络安全架构是基于边界的安全架构，企业构建网络安全体系时，先寻找安全边界，把网络划分为外网、内网、DMZ(DeMilitarized Zone)等不同的区域，然后在边界上部署防火墙、入侵检测等产品。传统的认证是以网络为中心，采用内网信任、边界防护、静态访问控制的机制。

随着云计算、大数据、物联网等新技术与业务的融合，在安全方面提出了新的概念零信任架构(ZTA Zero Trust Architecture),零信任的核心原则是：从不信任、始终验证。安全架构的核心有如下几点

• 以身份为中心
• 以识别、持续认证、动态访问控制、授权、审计以及监测为链条
• 以最小化实时授权为核心
• 以多维信任算法为基础
• 认证达末端

 零信任架构三大技术SIM包括
软件定义边界（SDP，Software Defined Perimeter）
SDP旨在使应用程序能在需要时部署安全边界，以便将服务于不安全的网络隔离开。
身份识别与访问管理（IAM，Identity and Access Management）
微隔离（MSG，Micro Segmentation）
微隔离本质上是一种网络安全隔离技术，相比较传统的网络安全隔离，微隔离的区别在于将网络边界分割到尽可能小，这样能缓解传统边界安全理念下的边界过度信任带来的安全风险。

Istio 中的安全性涉及多个组件：
用于密钥和证书管理的证书颁发机构（CA）
配置 API 服务器分发给代理：认证策略/授权策略
安全命名信息
Sidecar和边缘代理作为Policy Enforcement Points(PEPs) 以保护客户端和服务器间的通信安全。
一组Envoy代理扩展，用于管理遥测和审计。Istio PKI 使用 X.509 证书为每个工作负载都提供强大的身份标识。伴随着每个 Envoy 代理的 istio-agent(istio-agent是指sidecar容器中的pilot-agent进程)和 istiod 一起协作来大规模进行自动化密钥和证书轮换。如下图所示完成完成身份的供应。

• istiod 提供 gRPC 服务以接受证书签名请求（CSRs）。当工作负载启动时，Envoy通过秘密发现服务（SDS)API向同容器内的istio-agent发送证书和密钥请求。
• 在收到SDS请求后，istio-agent 创建私钥和CSR，然后将CSR及其凭据发送到istiod CA签名
• istiod CA 验证 CSR 中携带的凭据，成功验证后签署 CSR 以生成证书。
• Istio-agent 通过 Envoy SDS API 将私钥和从 Istio CA 收到的证书发送给 Envoy。
• Istio-agent会监工作负载证书的有效期。上述CSR过程会周期性地重复以处理证书和密钥轮换

Istio提供两种类型的认证：
Peer authentication：用于服务到服务的认证，以验证进行连接的客户端。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。
Request authentication：用于最终用户认证，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。

安全命名：服务器身份（Server identities）被编码在证书里，但服务名称（service names）通过服务发现或 DNS 被检索。安全命名信息将服务器身份映射到服务名称。身份 A 到服务名称 B 的映射表示“授权 A 运行服务 B“。控制平面监视 apiserver，生成安全命名映射，并将其安全地分发到 PEPs。

上面介绍了概念，接下来通过实际例子演示Istio如何完成认证的。创建三个namespace foo，bar，lagacy，其中foo，bar注入Istio sidecar，且三个namespace下都部署httpbin和sleep服务，这两个服务都来自Istio官网的sample目录下。创建对象完成后，查看bar下面的应用，可以看到是2/2，说明已经注入了Sidecar。接着尝试通过命令让bar namespace下的sleep应用通过curl命令访问httpbin应用，可以看到成功返回了200.

接着在三个namespace下让sleep服务访问httpbin服务。访问命令如下，也全部访问成功

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

 接着查看是否存在peerauthentication对象和destinationRules，都不存在。查看httpbin/headers，可以看到header里面有Client-Cert信息。

接着直接在主机上通过httpbin pod的IP地址访问headers信息，可以看到无Cert信息。

 

通过上面的例子可以看到对于注入了Istio sidecard的应用来说，自动启动了mTLS的双向认证机制。接下来创建一个PeerAuthentication对象，模式是STRICT模式，PeerAuthentication的模式有三种，三种模式的区别如下所示：

PERMISSIVE：工作负载接受双向 TLS 和纯文本流量。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，除非您提供自己的安全解决方案，否则请勿使用此模式。

kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: security.istio.io/v1beta1
kind: PeerAuthentication
metadata:
  name: "default"
  namespace: "istio-system"
spec:
  mtls:
    mode: STRICT
EOF

因为上述PeerAuthentication对象是创建在istio-system namespaces下面，即Istio的根namespace下，所以是全局生效。生效后再次用三个namespace下的sleep应用访问httpbin服务。可以看到legacy下的sleep服务访问foo，bar下的httpbin服务都失败了，因为legacy没有注入Istio sidecar，所以是纯文本流量，现在采用STRICT模式，所以会失败。Istio默认是采用PERMISSIVE。

接着在foo namespace下创建新的PeerAuthentication，对于访问httpbin的流量DISABLE，即禁用双向TLS。

cat <<EOF | kubectl apply -n foo -f -
apiVersion: security.istio.io/v1beta1
kind: PeerAuthentication
metadata:
  name: "overwrite-example"
  namespace: "foo"
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: httpbin
  mtls:
    mode: DISABLE
EOF

再次查看服务之间相互访问情况，可以看到Legacy下面的sleep应用访问foo下面的httpbin应用重新通了，只有bar下面的不同。因为上面的PA是创建在foo namespace。

通过上面的例子演示，可以看到可以通过配置PeerAuthentication来精细化控制服务间的隔离，即实现微隔离，也符合SDP原则，即应用自身来确定部署的安全边界。

上面介绍了PeerAuthentication(主要用户客户端和服务端都受Istio管理的场景)，接着来看看Request Authentication（用户客户端不受Istio管理，无法使用mTLS的场景）.。

Request 认证策略指定验证 JSON Web Token（JWT）所需的值。 这些值包括：
token 在请求中的位置
请求的 issuer
公共 JSON Web Key Set（JWKS）
Istio会根据request认证策略中的规则检查提供的令牌（如果已提供），并拒绝令牌无效的请求。当请求不带有令牌时，默认情况下将接受它们。接着通过实际例子来看看Request Authentication如何工作。首先通过gateway把httpbin的服务暴露出来。

kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: Gateway
metadata:
  name: httpbin-gateway
  namespace: foo
spec:
  selector:
    istio: ingressgateway # use Istio default gateway implementation
  servers:
  - port:
      number: 80
      name: http
      protocol: HTTP
    hosts:
    - "*"
EOF
kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
  name: httpbin
  namespace: foo
spec:
  hosts:
  - "*"
  gateways:
  - httpbin-gateway
  http:
  - route:
    - destination:
        port:
          number: 8000
        host: httpbin.foo.svc.cluster.local
EOF

接着创建RequestAuthentication对象。

 kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: "security.istio.io/v1beta1"
kind: "RequestAuthentication"
metadata:
  name: "jwt-example"
  namespace: istio-system
spec:
  selector:
    matchLabels:
      istio: ingressgateway
  jwtRules:
  - issuer: "testing@secure.istio.io"
    jwksUri: "https://raw.githubusercontent.com/istio/istio/release-1.14/security/tools/jwt/samples/jwks.json"
EOF

 在Istio的官网上提供了生成token的python代码，可以通过这个脚本生成有效的token。通过ingress svc的IP地址访问服务，如果不带token，默认是接收请求。

可以看到不带token的情况下，访问成功。

通过Istio官网提供的脚本生成有效的token，生成有效token官网提供了两种方式。

方式一
TOKEN=$(curl https://raw.githubusercontent.com/istio/istio/master/security/tools/jwt/samples/demo.jwt -s)
curl --header "Authorization: Bearer $TOKEN" $INGRESS_HOST/headers -s -o /dev/null -w "%{http_code}\n"
 
方式二
pip install jwcrypto
TOKEN=$(./gen-jwt.py key.pem --expire=300 --iss "new-issuer@secure.istio.io")

带着有效token访问ingress可以看到返回了200.如果把token替换成任意的字符串，返回了401，说明认证不通过。

 上面的例子中如果访问服务不带token则默认接受，这里通过生成AuthoriztionPolicy对象来控制如果不带token则拒绝请求。

kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: security.istio.io/v1beta1
kind: AuthorizationPolicy
metadata:
  name: "frontend-ingress"
  namespace: istio-system
spec:
  selector:
    matchLabels:
      istio: ingressgateway
  action: DENY
  rules:
  - from:
    - source:
        notRequestPrincipals: ["*"]
EOF

AuthorizationPolicy对象生效后，不带token访问则refused，带上有效token访问，仍然能成功访问成功。关于AuthorizationPolicy的使用会在下一篇博客中详细介绍。

通过上面的例子演示 AuthenticationRequest的工作过程。可以看到如果不受Istio管控的服务，通过AuthenticationRequest可以完成认证管控，保证应用安全。