Istio安全-证书管理

Istio安全-证书管理
- 插入现有CA证书
- Istio的DNS证书管理

注：本章更新至1.8版本

插入现有CA证书

本节展示了管理员如何使用现有的根证书来授权istio证书，签发证书和密钥，不使用Istio自动生成的证书。

默认情况下，istio的CA会生成一个自签的根证书和密钥，并使用它们签发负载证书。istio的CA也可以使用管理员指定的证书和密钥，以及管理员指定的根证书来签发负载证书。

根CA是网格中所有负载信任的根证书。每个Istio CA会使用一个中间CA来签发密钥和证书，该CA由根CA签发。当一个网格中存在多个Istio CA时，会在CA之间建立起信任层级。

本节展示如何将这些证书和密钥插入Istio的CA。

插入现有证书和密钥

在istio的samples/certs目录下有一套证书，可以比较好地解释istio的证书交互原理。

root-cert.pem: root CA certificate.

ca-[cert|key].pem: Citadel intermediate certificate and corresponding private key.

cert-chain.pem: certificate trust chain.

workload-foo-[cert|key].pem: workload certificate and key for URI SAN spiffe://trust-domain-foo/ns/foo/sa/foo signed by ca-cert.key.

workload-bar-[cert|key].pem: workload certificate and key for URI SAN spiffe://trust-domain-bar/ns/bar/sa/bar signed by ca-cert.key.

假如希望使用现有的CA证书ca-cert.pem和ca-key.pem(root-cert.pem签发了ca-cert.pem，因此root-cert.pem作为所有负载的根证书)。由于ca-cert.pem不同于root-cert.pem，因此无法直接通过根证书进行校验，此时需要通过一个cert-chain.pem来指定信任链，包含负载到根CA的所有中间CAs。在上述例子中，仅包含了istio的CA签名证书，因此cert-chain.pem 与ca-cert.pem相同。注意：如果 ca-cert.pem与 root-cert.pem是相同的，那么 cert-chain.pem文件应该是空的。

上述证书例子中的证书链为：root-cert.pem-->cert-chain.pem(含ca-cert.pem)-->workload-foo-cert.pem/workload-bar-cert.pem，可以使用如下方式进行校验：
# openssl verify -CAfile <(cat ca-cert.pem root-cert.pem) workload-bar-cert.pem

workload-bar-cert.pem: OK
对于生产环境，最好在一台离线机器上执行如下步骤，确保将根密钥暴露给尽可能少的人

创建一个保存证书和密钥的目录
```
$ mkdir -p certs

$ pushd certs
```
生成根证书和密钥
```
$ make -f ../tools/certs/Makefile.selfsigned.mk root-ca
```
上述命令将生成如下文件：
- root-cert.pem: 根证书
- root-key.pem: 根密钥
- root-ca.conf: openssl 使用该配置来生成根证书
- root-cert.csr: 为根证书生成的CSR
生成中间证书和密钥
```
$ make -f ../tools/certs/Makefile.selfsigned.mk cluster1-cacerts
```
执行如上命令会生成一个名为cluster1的目录，包含如下文件，root-cert.pem签发了ca-cert.pem
- ca-cert.pem: 中间证书
- ca-key.pem: 中间密钥
- cert-chain.pem: Istiod使用的证书链
- root-cert.pem: 根证书
- intermediate.conf: openssl 使用该配置来生成中间证书
- cluster-ca.csr: 为中间证书生成的CSR
可以将cluster1替换为任何字符串。例如make mycluster-certs将会生成名为mycluster的目录

为了配置其他Istio CA，可以重复执行上述步骤来生成不同名称的证书目录

创建一个cacerts secret，包含如下输入文件ca-cert.pem, ca-key.pem, root-cert.pem 和cert-chain.pem。需要注意的是创建出来的secret的名称必须是cacerts，这样才能被istio正确挂载。

$ kubectl create namespace istio-system

$ kubectl create secret generic cacerts -n istio-system \

      --from-file=cluster1/ca-cert.pem \

      --from-file=cluster1/ca-key.pem \

      --from-file=cluster1/root-cert.pem \

      --from-file=cluster1/cert-chain.pem

返回Istio安装的顶层目录
```
$ popd
```

部署Istio

使用demo profile，Istio会从挂载的secret文件中读取证书

$ istioctl install --set profile=demo

在下面的例子中，istio的CA证书(ca-cert.pem)与根证书(root-cert.pem)不同，因此负载无法通过根证书验证工作负载证书，需要使用一个cert-chain.pem来指定信任的证书链，该证书链包含负载和根CA之间的所有中间CA，在此例子中，它包含了istio的CA签名证书，因此cert-chain.pem和ca-cert.pem是相同的。注意，如果ca-cert.pem与root-cert.pem相同，那么ca-chain.pem文件应该是空的。

配置示例services

部署httpbin和sleep示例services

$ 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

部署一个策略，使得foo命名空间的负载仅接受mutual TLS流量

$ kubectl apply -n foo -f - <<EOF

apiVersion: "security.istio.io/v1beta1"

kind: "PeerAuthentication"

metadata:

  name: "default"

spec:

  mtls:

    mode: STRICT

EOF

校验证书

本节中会校验插入到CA中的证书是否签发了负载证书。

sleep 20s，等待mTLS策略下httpbin的证书链生效。由于CA证书是自签的，因此openssl命令会返回verify error:num=19:self signed certificate in certificate chain错误。

$ sleep 20; kubectl exec "$(kubectl get pod -l app=sleep -n foo -o jsonpath={.items..metadata.name})" -c istio-proxy -n foo -- openssl s_client -showcerts -connect httpbin.foo:8000 > httpbin-proxy-cert.txt

解析证书链中的证书

$ sed -n '/-----BEGIN CERTIFICATE-----/{:start /-----END CERTIFICATE-----/!{N;b start};/.*/p}' httpbin-proxy-cert.txt > certs.pem

$ awk 'BEGIN {counter=0;} /BEGIN CERT/{counter++} { print > "proxy-cert-" counter ".pem"}' < certs.pem

校验根证书与管理员指定的证书相同

$ openssl x509 -in samples/certs/root-cert.pem -text -noout > /tmp/root-cert.crt.txt

$ openssl x509 -in ./proxy-cert-3.pem -text -noout > /tmp/pod-root-cert.crt.txt

$ diff -s /tmp/root-cert.crt.txt /tmp/pod-root-cert.crt.txt

Files /tmp/root-cert.crt.txt and /tmp/pod-root-cert.crt.txt are identical

校验CA证书与管理员指定的相同

$ openssl x509 -in samples/certs/ca-cert.pem -text -noout > /tmp/ca-cert.crt.txt

$ openssl x509 -in ./proxy-cert-2.pem -text -noout > /tmp/pod-cert-chain-ca.crt.txt

$ diff -s /tmp/ca-cert.crt.txt /tmp/pod-cert-chain-ca.crt.txt

Files /tmp/ca-cert.crt.txt and /tmp/pod-cert-chain-ca.crt.txt are identical

校验从根证书到负载证书的证书链。下面使用中间证书和根证书组成的证书链来校验其签发了负载证书
```
$ openssl verify -CAfile <(cat samples/certs/ca-cert.pem samples/certs/root-cert.pem) ./proxy-cert-1.pem

./proxy-cert-1.pem: OK
```

卸载

卸载证书cacert和foo以及istio-system命名空间

$ kubectl delete secret cacerts -n istio-system

$ kubectl delete ns foo istio-system

Istio的DNS证书管理

本节展示如何使用 Chiron提供和管理DNS证书，Chiron是一个与istiod相连的轻量型组件，它使用kubernetes的CA API签发证书，无需管理私钥。有如下优势：

与isitod不同，这种方式无需维护签发的私钥，增强了安全性
简化了将根证书分发到TLS客户端。客户端不再需要等待istiod生成并分发其CA证书

首先使用istioctl安装istio，并配置DNS证书，当istiod启动后会读取该配置：

$ cat <<EOF > ./istio.yaml

apiVersion: install.istio.io/v1alpha1

kind: IstioOperator

spec:

  meshConfig:

    certificates:

      - secretName: dns.example1-service-account

        dnsNames: [example1.istio-system.svc, example1.istio-system]

      - secretName: dns.example2-service-account

        dnsNames: [example2.istio-system.svc, example2.istio-system]

EOF

$ istioctl install -f ./istio.yaml

可以看到在istio-system下生成了两个secret：

# kubectl get secret -n istio-system |grep dns

dns.example1-service-account                       istio.io/dns-key-and-cert             3      81s

dns.example2-service-account                       istio.io/dns-key-and-cert             3      81s

DNS证书的提供和管理

Istio根据用户的配置为DNS证书提供了DNS名字和secret名称。DNS证书由kubernetes CA签发，并根据配置保存到secret中。istio也管理着DNS证书的生命周期，包括证书滚动和重新生成。

配置DNS证书

可以在 istioctl install 命令中使用IstioControlPlane用户资源对istio进行配置。dnsNames字段用于设定证书中的DNS名称，secretName字段指定保存证书和密钥的kubernetes secret的名称。

检查提供的DNS证书

在配置istio生成DNS证书并保存到secret后，需要校验提供的证书是否能够正确运行。

为了校验istio前面例子中生成的dns.example1-service-account的DNS证书，以及校验该证书是否包含配置的DNS名称，需要获取kubernetes的secret，解析并对其解码，查看其具体内容：

$ kubectl get secret dns.example1-service-account -n istio-system -o jsonpath="{.data['cert-chain\.pem']}" | base64 --decode | openssl x509 -in /dev/stdin -text -noout

输出的文本包括：

X509v3 Subject Alternative Name:

    DNS:example1.istio-system.svc, DNS:example1.istio-system

重新生成DNS证书

istio可以在DNS证书被错删的情况下重新生成证书。

删除前面保存的DNS证书

$ kubectl delete secret dns.example1-service-account -n istio-system

校验istio重新生成了删除的DNS证书，且证书包含配置的DNS名称。需要从kubernetes获取secret，解析并对其解码，获取其内容：

$sleep 10; kubectl get secret dns.example1-service-account -n istio-system -o jsonpath="{.data['cert-chain\.pem']}" | base64 --decode | openssl x509 -in /dev/stdin -text -noout

输出包括

X509v3 Subject Alternative Name:

    DNS:example1.istio-system.svc, DNS:example1.istio-system

卸载

$ kubectl delete ns istio-system