安全证书错误怎么办（使用 k8s/istio/cert-manager 和 vault 保障应用的 tls 安全）

前言

Vault 是安全应用维护人员最喜欢的 hashcorp 产品之一 。Vault 是存储机密、证书、管理策略、加密数据等内容的安全工具。Vault 使用受信任的身份集中密码和控制访问权限，以此减少对静态、硬编码凭证的需求。它使用集中托管和受保护的加密密钥来动态和静态加密敏感数据，所有一切均可通过单个工作流和 API 实现。

Istio 非常重要的一个功能是能够锁定并且保护网格内的来往流量。本文的目的是基于 TLS 启动一个简单的 Web 应用程序，然后使用 Vault 生成对应的安全证书，从而保证 Istio 管理的服务安全。

简单点说，使用 TLS 时候，当您建立连接时，服务器会提供一个公钥，您可以使用此密钥对传输中的数据进行加密，一旦被目标服务器接收，数据将使用私钥解密。为了验证密钥是否有效，可以使用 CA（通常 CA 是付费服务），但我们可以通过 vault 创建一个自签名 CA）。

现在先让我们忽略 vault，让我们在系统上创建一个测试环境。为此使用 kind (https://kind.sigs.k8s.io/) 来快速创建一个测试环境。

用 kind 建立一个 kubernetes 集群

下载 kind 后，我们可以定义一个 kind 配置文件来启动 4 个 worker。我们还可以配置一些端口映射，以确保我们可以直接访问入口网关。

kind: ClusterapiVersion: kind.x-k8s.io/v1alpha4nodes:- role: control-planeextraPortMappings:- containerPort: 30725  hostPort: 8080  listenAddress: "127.0.0.1"  protocol: TCP- containerPort: 32652  hostPort: 8443  listenAddress: "127.0.0.1"  protocol: TCP- role: worker- role: worker- role: worker- role: worker

使用 kind 来创建我们的集群

kind create cluster --name chris --config ~/kube.cfg

节点已启动

kubectl get nodesNAME                  STATUS   ROLES           AGE   VERSIONchris-control-plane   Ready    control-plane   21h   v1.24.0chris-worker          Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker2         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker3         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker4         Ready    <none>          21h   v1.24.0

使用istioctl (https://github.com/istio/istio/releases) 命令安装 istio 。首先让我们定义一下配置内容。因为我们在本地运行，所以我们降低了一些资源要求。

--- apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatormetadata:  namespace: istio-system  name: installed-statespec:   components:     ingressGateways:       -         enabled: true        name: istio-ingressgateway        namespace: istio-system    pilot:       k8s:         hpaSpec:           maxReplicas: 2          minReplicas: 1        resources:           requests:             cpu: 512m            memory: 512Mi  profile: default  values:    global:      istioNamespace: istio-system

安装 istio

istioctl manifest install -f ~/istio.cfg

删除默认类型的 istio-ingressgateway 的 service。

kubectl delete svc istio-ingressgateway -n istio-system

创建一个 NodePort 服务，从而实现从节点端口访问 istio-ingressgateway 。

apiVersion: v1kind: Servicemetadata:  labels:    app: istio-ingressgateway    istio: ingressgateway  name: istio-ingressgateway  namespace: istio-systemspec:  type: NodePort  ports:  - name: http    nodePort: 30725    port: 8080    protocol: TCP    targetPort: 8080  - name: https    nodePort: 32652    port: 443    protocol: TCP    targetPort: 8443  selector:    app: istio-ingressgateway

应用一下

kubectl apply -f svc.yml

此时，istio 应该正常运行。

kubectl get pods -n istio-systemNAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGEistio-ingressgateway-5f86977657-qfxrs   1/1     Running   0          21histiod-67db665bd9-4d8nl                 1/1     Running   0          21h

我们将创建一个虚拟网关进行测试

apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3kind: Gatewaymetadata:  name: gateway  namespace: istio-systemspec:  selector:    app: istio-ingressgateway  servers:  - port:      number: 8080      name: http      protocol: HTTP    hosts:    - "*"

同时应用

kind create cluster --name chris --config ~/kube.cfg0

使用 curl，我们能够从我们客户端去访问 istio 入口。注意：404 是预期的结果，因为我们还没有配置任何应用程序或 istio 虚拟服务。

kind create cluster --name chris --config ~/kube.cfg1

我们不仅连接了（即使我们得到了 404 ），而且您可以看到服务器是 istio-envoy 响应，这意味着 envoy 正在处理流量。

最后一步，让我们创建一个命名空间并将其标记为 istio 注入以供将来工作。

kind create cluster --name chris --config ~/kube.cfg2

安装 Vault

如果这是一个生产环境，我们会按照严格标准去调整以及安装 vault，但当前只是一个一次性的测试环境，所以我们不做任何优化调整。

使用 helm 安装 Vault Chart

kind create cluster --name chris --config ~/kube.cfg3

Vault pod 启动了，但它还没有就绪，因为它当前处于锁定状态。在 pod 中执行以下命令以解封。

kind create cluster --name chris --config ~/kube.cfg4

从 /tmp/token.josn 中取出 unseal_keys_b64 密钥，并使用它来解封 vault。

kind create cluster --name chris --config ~/kube.cfg5

现在，vault 应该已解封并处于就绪状态。

kind create cluster --name chris --config ~/kube.cfg6

现在，我们可以使用 port-forward 来转发访问 vault，并使用可以在 /tmp/token.json 中找到的根令牌登录 vault。

kind create cluster --name chris --config ~/kube.cfg7

现在 vault 已准备就绪，让我们创建一个新的 secret engine，启用新 engine -> PKI Certificates，我使用的是 pki/ 路径。或者，如果启用了 cli，您可以使用以下命令

kind create cluster --name chris --config ~/kube.cfg8

将 vault 二进制文件下载到您本地并设置 vault 地址和令牌。

kind create cluster --name chris --config ~/kube.cfg9

现在我们可以从 cli 与 Vault 进行交互了

kubectl get nodesNAME                  STATUS   ROLES           AGE   VERSIONchris-control-plane   Ready    control-plane   21h   v1.24.0chris-worker          Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker2         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker3         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker4         Ready    <none>          21h   v1.24.00

我们想给 istio 一个证书以供 CA 验证，所以让我们在 Vault 中创建一个。首先调整一些租期时间（10 年）。

kubectl get nodesNAME                  STATUS   ROLES           AGE   VERSIONchris-control-plane   Ready    control-plane   21h   v1.24.0chris-worker          Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker2         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker3         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker4         Ready    <none>          21h   v1.24.01

创建一个名为 allowit 的角色，然后定义要发送到 CA 的 CSR 的路径。本处将使用域名 somecompany.com 进行所有测试。

kubectl get nodesNAME                  STATUS   ROLES           AGE   VERSIONchris-control-plane   Ready    control-plane   21h   v1.24.0chris-worker          Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker2         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker3         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker4         Ready    <none>          21h   v1.24.02

我们当前在做的是为访问路径设置角色以与 CA 一起使用。

现在是时候获得中间证书了。CA 虽然很不错，它确认了证书属于正确的人，但它有很大的权力。中间证书基本上是一种从另一个 CA 创建 CA 的方法。最佳做法是使用中间证书。根证书将能够撤销任何中间 CA。

但如下所见，步骤类似，我们现在使用的是 pki_int 路径。

kubectl get nodesNAME                  STATUS   ROLES           AGE   VERSIONchris-control-plane   Ready    control-plane   21h   v1.24.0chris-worker          Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker2         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker3         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker4         Ready    <none>          21h   v1.24.03

仍然使用 somecompany.com 域名，确保颁发者名称与根 CA 和中间 CA 的颁发者名称相同（在此示例中仅称为 root）。

将签名的证书写回 vault 。

kubectl get nodesNAME                  STATUS   ROLES           AGE   VERSIONchris-control-plane   Ready    control-plane   21h   v1.24.0chris-worker          Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker2         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker3         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker4         Ready    <none>          21h   v1.24.04

现在我们的 CA 和中间证书已经创建好了。我们应该为它创建一个角色。

kubectl get nodesNAME                  STATUS   ROLES           AGE   VERSIONchris-control-plane   Ready    control-plane   21h   v1.24.0chris-worker          Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker2         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker3         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker4         Ready    <none>          21h   v1.24.05

目前，我们都准备好了！我们已经创建了一个带有 vault 的 CA 和中间 CA！

让我们测试一下！让我们向 vault 申请 chris.somecompany.com 的 24 小时有效证书。（这将返回 CA、证书和私钥）

kubectl get nodesNAME                  STATUS   ROLES           AGE   VERSIONchris-control-plane   Ready    control-plane   21h   v1.24.0chris-worker          Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker2         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker3         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker4         Ready    <none>          21h   v1.24.06

本处只关心证书，所以将上面命令返回的base64复制并粘贴到一个临时文件中，然后使用openssl 进行检查。

kubectl get nodesNAME                  STATUS   ROLES           AGE   VERSIONchris-control-plane   Ready    control-plane   21h   v1.24.0chris-worker          Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker2         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker3         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker4         Ready    <none>          21h   v1.24.07

从上面的输出可以看出，证书有效期为 24 小时，对 chris.somecompany.com 有效，包含我们要求的所有内容！

目前的操作都是通过命令行，忽略使用 vault UI，但我们也可以使用 UI 来执行上述所有步骤。例如，我们可以在 UI 上看到我们的证书。

Cert manager

kubernetes、istio 和 vault 就这样配置好了。我们的最终目标是启动一个使用 vault 的 TLS 证书的应用程序。

Cert-manager (https://cert-manager.io/) 允许我们向 kubernetes secret api 请求和写入证书。然后 istio 将这些证书与网关 crd 一起使用。

使用 helm 安装Cert-manager

kubectl get nodesNAME                  STATUS   ROLES           AGE   VERSIONchris-control-plane   Ready    control-plane   21h   v1.24.0chris-worker          Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker2         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker3         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker4         Ready    <none>          21h   v1.24.08

当前可以确认 pod 已在 cert-manager 命名空间中启动，我们也可以看到 cert-manager crds 被创建了。

kubectl get nodesNAME                  STATUS   ROLES           AGE   VERSIONchris-control-plane   Ready    control-plane   21h   v1.24.0chris-worker          Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker2         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker3         Ready    <none>          21h   v1.24.0chris-worker4         Ready    <none>          21h   v1.24.09

当前 cert-manager 已经启动并运行，它如何对 vault 进行身份验证？Authrole 允许我们设置一个密钥来与 vault 对话。

通过如下命令启用审批

--- apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatormetadata:  namespace: istio-system  name: installed-statespec:   components:     ingressGateways:       -         enabled: true        name: istio-ingressgateway        namespace: istio-system    pilot:       k8s:         hpaSpec:           maxReplicas: 2          minReplicas: 1        resources:           requests:             cpu: 512m            memory: 512Mi  profile: default  values:    global:      istioNamespace: istio-system0

创建 policy.hcl 文件，它可以访问 pki/ 和 pki-int 路径

--- apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatormetadata:  namespace: istio-system  name: installed-statespec:   components:     ingressGateways:       -         enabled: true        name: istio-ingressgateway        namespace: istio-system    pilot:       k8s:         hpaSpec:           maxReplicas: 2          minReplicas: 1        resources:           requests:             cpu: 512m            memory: 512Mi  profile: default  values:    global:      istioNamespace: istio-system1

写入 vault

--- apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatormetadata:  namespace: istio-system  name: installed-statespec:   components:     ingressGateways:       -         enabled: true        name: istio-ingressgateway        namespace: istio-system    pilot:       k8s:         hpaSpec:           maxReplicas: 2          minReplicas: 1        resources:           requests:             cpu: 512m            memory: 512Mi  profile: default  values:    global:      istioNamespace: istio-system2

创建一个 certmanager 角色，该角色附加到 pki_policy vault策略

--- apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatormetadata:  namespace: istio-system  name: installed-statespec:   components:     ingressGateways:       -         enabled: true        name: istio-ingressgateway        namespace: istio-system    pilot:       k8s:         hpaSpec:           maxReplicas: 2          minReplicas: 1        resources:           requests:             cpu: 512m            memory: 512Mi  profile: default  values:    global:      istioNamespace: istio-system3

我们现在有一个 role_id

--- apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatormetadata:  namespace: istio-system  name: installed-statespec:   components:     ingressGateways:       -         enabled: true        name: istio-ingressgateway        namespace: istio-system    pilot:       k8s:         hpaSpec:           maxReplicas: 2          minReplicas: 1        resources:           requests:             cpu: 512m            memory: 512Mi  profile: default  values:    global:      istioNamespace: istio-system4

让我们来写入一个 secret

--- apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatormetadata:  namespace: istio-system  name: installed-statespec:   components:     ingressGateways:       -         enabled: true        name: istio-ingressgateway        namespace: istio-system    pilot:       k8s:         hpaSpec:           maxReplicas: 2          minReplicas: 1        resources:           requests:             cpu: 512m            memory: 512Mi  profile: default  values:    global:      istioNamespace: istio-system5

这将返回一个 secret_id（你的密钥），获取，base64 ，然后创建一个 kubernetes secret并上传

--- apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatormetadata:  namespace: istio-system  name: installed-statespec:   components:     ingressGateways:       -         enabled: true        name: istio-ingressgateway        namespace: istio-system    pilot:       k8s:         hpaSpec:           maxReplicas: 2          minReplicas: 1        resources:           requests:             cpu: 512m            memory: 512Mi  profile: default  values:    global:      istioNamespace: istio-system6

看起来内容比较多，但我们所做的只是告诉 Vault 创建一个密钥。我们可以使用此密钥进行身份验证以进行保管。

配置 cert-manager

现在 cert-manager 可以与 vault 通信，让我们配置 cert-manager。

issuer 用于与 vault 对话，传递我们的应用角色密钥和路径。

本处，我们将所有这些东西都放在了 istio-system 命名空间中。

--- apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatormetadata:  namespace: istio-system  name: installed-statespec:   components:     ingressGateways:       -         enabled: true        name: istio-ingressgateway        namespace: istio-system    pilot:       k8s:         hpaSpec:           maxReplicas: 2          minReplicas: 1        resources:           requests:             cpu: 512m            memory: 512Mi  profile: default  values:    global:      istioNamespace: istio-system7

然后我们创建一个证书 CRD 来定义我们的证书信息并告诉它把我们生成的证书放在哪里（在这个例子中是 my-cert ）。

--- apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatormetadata:  namespace: istio-system  name: installed-statespec:   components:     ingressGateways:       -         enabled: true        name: istio-ingressgateway        namespace: istio-system    pilot:       k8s:         hpaSpec:           maxReplicas: 2          minReplicas: 1        resources:           requests:             cpu: 512m            memory: 512Mi  profile: default  values:    global:      istioNamespace: istio-system8

等待 30s ，如果没有意外，那么 cert-manager 将去 vault 请求一个证书，并将其保存为一个可以使用的密钥。

--- apiVersion: install.istio.io/v1alpha1kind: IstioOperatormetadata:  namespace: istio-system  name: installed-statespec:   components:     ingressGateways:       -         enabled: true        name: istio-ingressgateway        namespace: istio-system    pilot:       k8s:         hpaSpec:           maxReplicas: 2          minReplicas: 1        resources:           requests:             cpu: 512m            memory: 512Mi  profile: default  values:    global:      istioNamespace: istio-system9

最重要的是，我们的证书是否已准备好用作 kubernetes secret？

istioctl manifest install -f ~/istio.cfg0

在这个过程中，可以通过 kubectl describe 命令来查看详细信息。。

创建示例应用

一切准备就绪，让我们在 web 命名空间中启动一个 nginx pod 虚拟服务。请记住，我们标记了命名空间，因此该命名空间内启动的 pod 也将获得 istio sidecar。

istioctl manifest install -f ~/istio.cfg1

对于 istio，我们需要一个 VirtualService 来进行路由。

istioctl manifest install -f ~/istio.cfg2

此外，创建一个使用我们来自 vault 的新证书的网关

istioctl manifest install -f ~/istio.cfg3

在真实环境中，我们会在 istio ingress 前面添加一个负载均衡器，但是因为我们使用的是 kind，所以本处会将主机添加到 /etc/hosts 并进行端口转发。

istioctl manifest install -f ~/istio.cfg4

在我们点击页面之前，让我们从 k8s 中获取公共 CA 并信任它。

istioctl manifest install -f ~/istio.cfg5

在浏览器中打开，我们现在可以使用由 vault 签名的有效 TLS 证书访问我们的 nginx 服务器 (https://chris.somecompany.com:8443)！

总结

通过本文，我们学习了如何使用 vault 来保存证书等密钥信息，如何使用 cert-manager 来申请免费的证书以及 istio 如何去使用这些信息，最终实现了一个基于 istio 的安全 web 应用。