基于服務(wù)網(wǎng)格的訪問控制的實(shí)踐研究

王兆熠 于千慧 袁迎迎 魏星

摘要：云計(jì)算和微服務(wù)已經(jīng)成為廣大開發(fā)者和運(yùn)維人員的首選部署方案。它們具有更高的資源利用率、應(yīng)用間更低的耦合性和更靈活的架構(gòu)設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，為人們提供了更多的選擇。雖然云計(jì)算和微服務(wù)降低了復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)維難度，但隨著服務(wù)和功能模塊的增加，對于外部和模塊間訪問的控制難度也越來越大。為了以更加簡單方便的方式進(jìn)行微服務(wù)的訪問控制，本文采用以文獻(xiàn)調(diào)查為輔、實(shí)踐為主的方法，基于Istio服務(wù)網(wǎng)格進(jìn)行微服務(wù)的訪問控制的研究與探索。通過實(shí)踐，本文發(fā)現(xiàn)借助Istio的安全能力，開發(fā)和運(yùn)維人員可以通過在Kubernetes中編寫和下發(fā)配置文件來方便地開啟或?qū)χ付ǚ?wù)配置更細(xì)粒度的訪問控制。新一代服務(wù)網(wǎng)格Istio提供了更方便、快捷和安全的信息安全把控和審計(jì)能力。

關(guān)鍵字：云計(jì)算；服務(wù)網(wǎng)格；Istio；訪問控制；Kubernetes

一、引言

（一）研究目的

軟件業(yè)務(wù)系統(tǒng)的不斷壯大，其所涉及的業(yè)務(wù)功能模塊和中間件也越來越多，這也導(dǎo)致了模塊的開發(fā)難度逐步增大，模塊間調(diào)用邏輯越發(fā)復(fù)雜。單體式架構(gòu)早已不能滿足當(dāng)今需求，其拓展性低、耦合度高、運(yùn)維難的缺點(diǎn)深受詬病。云計(jì)算和微服務(wù)的到來給了這一問題全新的解決思路，企業(yè)可以通過業(yè)務(wù)分解，將負(fù)責(zé)模塊間通信的部分抽離出來，讓研發(fā)人員專注于業(yè)務(wù)邏輯的研發(fā)，而不用過多地關(guān)注其他的因素。然而，越來越多的服務(wù)數(shù)量也為服務(wù)間或外部訪問的控制帶來了難度。本文的目標(biāo)是探索訪問控制在服務(wù)網(wǎng)格（Istio）中的實(shí)踐方式和技術(shù)細(xì)節(jié)。

（二）研究背景與文獻(xiàn)綜述

Peter博士在2005年的一次云計(jì)算會議上首次使用了微服務(wù)這個(gè)術(shù)語。微服務(wù)誕生于一次架構(gòu)師大會，被用于描述許多架構(gòu)師正在嘗試的新型的架構(gòu)風(fēng)格之一。Netflix和亞馬遜是微服務(wù)的早期先驅(qū)者之一[1]。

微服務(wù)的架構(gòu)風(fēng)格是從小型、獨(dú)立的應(yīng)用程序中開發(fā)出復(fù)雜的應(yīng)用軟件，這些應(yīng)用程序使用獨(dú)立于語言的接口（API）相互通信。如果公司無法優(yōu)化長期以來形成的單體架構(gòu)，那么業(yè)務(wù)架構(gòu)將難以升級或維護(hù)，變得過于復(fù)雜。國內(nèi)學(xué)者對于云計(jì)算和微服務(wù)的研究較為深入。張玉超[2]在他的研究中表示，云計(jì)算具有規(guī)模大、資源利用高效、通用性強(qiáng)和成本低的特點(diǎn)，這非常契合微服務(wù)所需要的基礎(chǔ)特性。借助云計(jì)算，企業(yè)可以以更經(jīng)濟(jì)、更高效的方式將應(yīng)用部署上云。張墨涵[3]等人提到，微服務(wù)間每個(gè)服務(wù)互相獨(dú)立，架構(gòu)靈活，服務(wù)職責(zé)單一。即便其中某個(gè)服務(wù)發(fā)生故障，也可以將影響面縮到最小，且有利于資源的伸縮。這非常適合應(yīng)用在當(dāng)今的云平臺環(huán)境。國內(nèi)學(xué)者同時(shí)發(fā)現(xiàn)了微服務(wù)訪問控制的重要性。潘孝陽[4]在他的研究中表明，微服務(wù)的設(shè)計(jì)暴露了更大的可攻擊面，服務(wù)間的通信更容易成為攻擊的目標(biāo)。其次，因?yàn)榉?wù)之間相互信任，所以如果某一個(gè)微服務(wù)被攻陷，可能會波及整個(gè)系統(tǒng)。因此，對微服務(wù)的訪問控制進(jìn)行設(shè)計(jì)非常重要。何修宇[5]提到，微服務(wù)運(yùn)行環(huán)境差異大又相互影響，傳統(tǒng)的權(quán)限控制方法難以適應(yīng)，且權(quán)限管理規(guī)則復(fù)雜。業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的難題也說明了權(quán)限控制需要著重研究。

（三）研究方法與研究范圍

本文主要采用了文獻(xiàn)研究法和實(shí)驗(yàn)法兩種方法。通過文獻(xiàn)研究法，本文對研究背景和歷史進(jìn)行了學(xué)習(xí)，并對已有的研究成果進(jìn)行了總結(jié)。這樣做可以建立對本次研究的宏觀認(rèn)知。同時(shí)，本文還通過實(shí)驗(yàn)法在服務(wù)網(wǎng)格中應(yīng)用訪問控制，并確定了訪問控制的內(nèi)部邏輯和控制機(jī)制等。本文首先對微服務(wù)的變革進(jìn)行了探索，包括其演進(jìn)模式，每個(gè)階段的特性，以及對新一代服務(wù)網(wǎng)格Istio的研究。其次，本文對訪問控制的原理和部署進(jìn)行了實(shí)踐，對JWT和Istio的安全策略進(jìn)行了探索和學(xué)習(xí)。

二、微服務(wù)的變革

（一）微服務(wù)的演進(jìn)

過去，在業(yè)務(wù)項(xiàng)目中，快速開發(fā)和上線是最重要的考慮因素，導(dǎo)致對系統(tǒng)后期的發(fā)展、拓展性、健壯性和可用性不夠關(guān)注。隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，性能和需求滿足不了的問題逐步顯現(xiàn)。對于傳統(tǒng)的單體系統(tǒng)來說，所有模塊之間耦合緊密，功能邊界不清晰，調(diào)用關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，難以調(diào)整和排查問題。當(dāng)系統(tǒng)遇到性能瓶頸時(shí)，只能通過負(fù)載均和多實(shí)例部署無法解決問題，無法對模塊進(jìn)行拆分和縱向擴(kuò)展。此外，由于高耦合特性，當(dāng)其中一個(gè)小模塊出現(xiàn)問題時(shí)，可能會波及整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致整體服務(wù)不可用。微服務(wù)是基于云原生架構(gòu)的一種方法，是SOA架構(gòu)模式的演變。微服務(wù)希望開發(fā)人員將龐大的系統(tǒng)劃分為不同的小模塊，解耦功能，并通過輕量級協(xié)議使服務(wù)協(xié)同工作。微服務(wù)具有以下特性：單一職責(zé)、輕量級通信、獨(dú)立性、進(jìn)程隔離、支持混合技術(shù)棧、簡化治理、易于維護(hù)。

在Phil的文章《Service Mesh》中[6]，提出了微服務(wù)通信的演變過程。最初，開發(fā)人員希望兩個(gè)服務(wù)之間可以直接簡單通信，但實(shí)際情況非常復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)可能面臨丟包、錯(cuò)誤等問題。因此，開發(fā)人員需要單獨(dú)處理網(wǎng)絡(luò)問題，而不僅僅是業(yè)務(wù)邏輯。隨著TCP協(xié)議的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)處理可以下沉，從業(yè)務(wù)服務(wù)中分離出來，成為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的一部分。隨后，諸如Spring Cloud等分布式框架的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了分布式系統(tǒng)所需的各種通用功能，如服務(wù)注冊，負(fù)載均衡，認(rèn)證授權(quán)等。這些框架在一定程度上封裝了底層邏輯，使開發(fā)人員能夠更快速地開發(fā)健壯的分布式系統(tǒng)。盡管Spring Cloud是一個(gè)出色的開發(fā)框架，但仍存在一些問題，如侵入性強(qiáng)、升級成本高、治理功能不完善、開發(fā)門檻高及不支持語言無關(guān)性。為解決這些問題，Service Mesh的出現(xiàn)為開發(fā)者帶來了全新的解決方案。作為基礎(chǔ)設(shè)施，Service Mesh可以與業(yè)務(wù)解耦，以Side Car（邊車）的形式部署，解決復(fù)雜環(huán)境下的微服務(wù)通信問題。

（二）服務(wù)網(wǎng)格

本文主要基于對Istio服務(wù)網(wǎng)格的研究。在云原生領(lǐng)域中，Istio和Kubernetes密不可分，因此備受關(guān)注。官方對Istio的描述是一個(gè)開放平臺，用于連接、加固安全、控制和觀察服務(wù)。“連接”代表能夠智能地控制服務(wù)之間的調(diào)用流量，實(shí)現(xiàn)灰度升級、AB測試和紅黑部署等功能；“加固安全”表示自動(dòng)為服務(wù)之間的調(diào)用提供認(rèn)證、授權(quán)和加密；“控制”保證資源在消費(fèi)者之間公平分配；“觀察”表示能夠查看服務(wù)運(yùn)行過程中的各種數(shù)據(jù)，例如日志、監(jiān)控和tracing，以了解服務(wù)的運(yùn)行情況。

Istio擴(kuò)展了Kubernetes的能力，利用強(qiáng)大的Envoy服務(wù)代理建立了一個(gè)可編程的、應(yīng)用感知的網(wǎng)絡(luò)。Istio與Kubernetes協(xié)作，為大規(guī)模的服務(wù)部署管理提供了統(tǒng)一、通用的流量管理、遙測和安全方案。

為了提供統(tǒng)一的上層入口，服務(wù)網(wǎng)格（Istio）演化出了控制面的概念，如圖1所示。控制面負(fù)責(zé)和所有的數(shù)據(jù)面（即邊車組成的網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行交互，例如下發(fā)策略，采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。

三、訪問控制

（一）訪問控制的意義

訪問控制是系統(tǒng)安全基礎(chǔ)設(shè)施中的一個(gè)基本要素。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全工程師都希望在不影響工作流程的情況下，應(yīng)用最小特權(quán)原則、零信任原則、職責(zé)分離或其他安全方案的原則。訪問控制的主要目的是限制對信息和功能系統(tǒng)的訪問。當(dāng)訪問控制功能正常工作時(shí)，它可以降低信息在沒有正確授權(quán)的情況下被非法訪問和數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。Algimantas在他的研究中提到[7]，訪問控制在確保基于微服務(wù)的系統(tǒng)的身份管理和網(wǎng)絡(luò)安全方面起著關(guān)鍵作用。訪問控制是微服務(wù)架構(gòu)的一個(gè)重要功能組件，因?yàn)樗?guī)范了對每個(gè)微服務(wù)內(nèi)部資源的訪問，并幫助維護(hù)數(shù)據(jù)的保密性和完整性。微服務(wù)中的訪問控制有助于執(zhí)行安全策略，防止對API、數(shù)據(jù)存儲和其他資源的未授權(quán)訪問。這確保只有經(jīng)過授權(quán)的實(shí)體才能訪問敏感信息。此外，訪問控制有助于增強(qiáng)審計(jì)功能，可以更方便地記錄誰在什么時(shí)間訪問了哪些資源。

（二）JSON Web Token

提到訪問控制，JWT是其中不可或缺的一環(huán)。JWT的全稱為Json Web Token，它是一個(gè)用于安全地以JSON的格式傳輸信息的標(biāo)準(zhǔn)（RFC 7519）。JWT是一種基于令牌（Token）的無狀態(tài)認(rèn)證機(jī)制。由于它是一個(gè)基于客戶端的無狀態(tài)會話，服務(wù)器不必完全依賴數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)來保存會話信息。一個(gè)正確的JWT通常由三部分組成，分別是頭部（Header）、負(fù)載 （Payload）和簽名（Signature）。這三部分之間由英文的句點(diǎn)進(jìn)行分隔。頭部部分主要聲明了Token的類型和加密所使用的算法。負(fù)載部分的信息相對豐富，可以使用鍵值對格式自定義字段，當(dāng)然，也有一些預(yù)留字段用于聲明Token的簽發(fā)者、主體、過期時(shí)間等。簽名是其中最重要的部分，它由加密后的頭部和負(fù)載計(jì)算而來，用于確定Token的信息是否被非法篡改。用戶在訪問目標(biāo)資源時(shí)，需要在請求的頭部中加入”Authorization： Bearer ”字段來進(jìn)行訪問。服務(wù)端收到請求后會對JWT進(jìn)行驗(yàn)證和解碼，以判斷身份是否合法以及獲取傳遞的信息。若JWT不正確或不傳遞，訪問將被拒絕。

（三）JSON Web Key

當(dāng)談及Istio的訪問控制時(shí)，JWK同樣是必不可少的一個(gè)元素，并且與JWT相輔相成，共同完成了訪問控制的認(rèn)證和鑒權(quán)。JWK全稱是Json Web Key，顧名思義，它是一個(gè)密鑰，用于加密JWT。JWK采用鍵值（Key-Value）形式。在JWK中，常見的字段有：Kty（加密算法類型）、Use（密鑰用途）、Sig（簽名）、Alg（密鑰算法）和Kid（密鑰標(biāo)識）。

（四）訪問控制在Istio中的實(shí)現(xiàn)

1.環(huán)境準(zhǔn)備

①準(zhǔn)備一臺安裝有Linux（Ubuntu或CentOS）系統(tǒng)的電腦或虛擬機(jī)；②在設(shè)備中安裝好Docker和Kubernetes；③安裝Istio；④在期望的命名空間中安裝Istio的Bookinfo示例；⑤對集群和網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)試，確保Bookinfo相關(guān)服務(wù)部署后可以正常訪問。

2.訪問控制的實(shí)踐

研究實(shí)踐的目的是為Productpage服務(wù)創(chuàng)建訪問控制規(guī)則，以確保只有攜帶正確Token的請求才能正常訪問Productpage服務(wù)。在Istio中啟用訪問控制功能需要兩個(gè)組件資源，它們分別稱為訪問控制（RequestAuthentication）和認(rèn)證策略（AuthorizationPolicy）。在Istio中，認(rèn)證策略的工作模式如圖2所示，以外部用戶訪問網(wǎng)格內(nèi)的服務(wù)為例。

首先，用戶需向認(rèn)證服務(wù)器請求一個(gè)JWT。該JWT使用加密密鑰JWK和相關(guān)負(fù)載信息生產(chǎn)。用戶攜帶JWT請求目標(biāo)服務(wù)時(shí)，首先要經(jīng)過服務(wù)網(wǎng)格的網(wǎng)關(guān)IngressGateway。網(wǎng)關(guān)將流量導(dǎo)向目標(biāo)容器。流量進(jìn)入該容器時(shí)，將被邊車劫持。邊車負(fù)責(zé)對JWT進(jìn)行校驗(yàn)，如果合法有效，則允許訪問通過；否則，訪問將被拒絕。邊車中的相關(guān)配置由上文提到的Istio控制面下發(fā)。因此，在相關(guān)配置中，需要聲明密鑰信息和token中的信息用于解密和驗(yàn)證。在某些情況下，也需要通過聲明來決定哪些特定的服務(wù)需要開啟訪問控制功能。

在上面兩個(gè)配置文件樣例中，配置文件通過selector標(biāo)簽選擇器進(jìn)行指定資源的選擇，這個(gè)selector和k8s中的selector一致。

在部署時(shí)，上述兩個(gè)配置文件缺一不可，必須同時(shí)存在，訪問控制功能才能被正確地開啟。當(dāng)然，訪問控制的范圍可以不局限于指定的應(yīng)用，還可以是k8s中的某個(gè)命名空間或者整個(gè)k8s集群。下面以RequestAuthentication配置為例。

通過觀察上述配置，可以發(fā)現(xiàn)控制范圍的主要參數(shù)為Selector和Namespace。當(dāng)存在Selector時(shí)，訪問控制的生效范圍被縮小到指定的應(yīng)用 （或者是容器）上。當(dāng)Selector不存在，Namespace參數(shù)為Istio-System以外的集群名稱時(shí)，生效范圍為指定的命名空間。當(dāng)Namespace參數(shù)為Istio-System，即Istio的安裝命名空間時(shí)，生效范圍為整個(gè)集群。部署成功后，用戶需要在請求的Header中攜帶正確的Token來進(jìn)行訪問。若Token信息錯(cuò)誤或未攜帶Token，都會提示訪問錯(cuò)誤。這里使用Curl命令對服務(wù)進(jìn)行訪問測試。

四、結(jié)束語

當(dāng)下越來越多的業(yè)務(wù)系統(tǒng)或數(shù)字化解決方案正被部署在現(xiàn)代化的平臺上，例如各大廠商的云平臺。同時(shí)，越來越多的開發(fā)者傾向于使用容器化和微服務(wù)的方式來構(gòu)建他們的程序。在過去，諸如負(fù)載均衡和路由等基礎(chǔ)能力是與軟件能力融為一體的；然而，現(xiàn)在云平臺將這些能力集成或封裝起來，使開發(fā)者能夠更方便地使用。云計(jì)算和微服務(wù)的流行降低了復(fù)雜業(yè)務(wù)場景的開發(fā)和后續(xù)維護(hù)難度，但也給外部訪問或服務(wù)間訪問的控制和審計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

借助Istio服務(wù)網(wǎng)格的能力，開發(fā)者可以輕松地接管網(wǎng)格內(nèi)部流量，對微服務(wù)進(jìn)行流量和安全上的統(tǒng)一管控和配置。通過Istio的安全策略配置，開發(fā)者和運(yùn)維人員可以輕松地基于JWT對訪問進(jìn)行把控，這是一種更為簡單、有效、安全、可靠的訪問控制體系。

作者單位：王兆熠 于千慧 袁迎迎 魏星 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司濟(jì)南軟件研究院

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中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司濟(jì)南軟件研究院 - 平臺架構(gòu)項(xiàng)目集 - 應(yīng)用交付能力項(xiàng)目組。

王兆熠（1998.07-），男，漢族，山東濟(jì)南，碩士，初級工程師，研究方向：人工智能與云計(jì)算運(yùn)維研發(fā)；

于千慧（2000.04-），女，漢族，山東煙臺，本科，研究方向：云計(jì)算運(yùn)維研發(fā)；

袁迎迎（1996.05-），女，漢族，山東濰坊，碩士，初級工程師，研究方向：云計(jì)算運(yùn)維研發(fā)；

魏星（1990.08-），男，漢族，山東臨沂，本科，初級工程師，研究方向：云計(jì)算運(yùn)維研發(fā)。