Securing Microservices Integrity with Hashicorp
作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
2020年标志着微服务领域发生了一场具有里程碑意义的转变。云计算与容器化技术的广泛应用推动了这一进程，在这一背景下众多微服务系统逐渐向云平台迁移部署，并随之带来了前所未有的安全挑战。微服务架构模式将整个系统划分为若干个功能独立的服务单元，在这些单元之间建立密集的通信网络不仅增加了系统的复杂性还为潜在威胁提供了可利用的攻击面。在面对日益复杂的微服务架构时传统单一架构模式已经难以满足当前需求因此安全防护面临着重大的重构挑战。通过采用HashiCorp Vault这一创新的安全解决方案我们能够有效应对这一挑战并确保系统的安全性与稳定性。
2.基本概念术语说明
2.1 服务间身份验证（Service-to-service authentication）
服务间身份验证主要体现在两个服务之间实现互相确认的过程，在微服务架构下由于各个服务间的交互频率增加而导致通信复杂度上升的问题日益突出。如何保障不同服务之间的通信内容安全成为当前系统设计中亟需解决的关键难题之一。该方法通常采用共享密钥的方式进行，在这一过程中发送方在发送请求时会将私钥与请求内容结合使用，并将其一并包含在内；接收方接收到请求后能够利用公钥对签名信息进行验证从而判断请求是否合法
2.2 数据共享与数据一致性
因为各个节点部署于不同的服务器而无法直接存取内存或磁盘，在微服务架构中也存在多种数据共享与传输的方式例如通过共享数据库缓存机制以及消息队列等方式实现。为了防止出现数据不一致问题在分布式系统中必须实施同步机制作为基础保障目前面临的主要挑战是如何协调各服务之间的数据共享与一致性问题
2.3 分布式系统中的密码管理
在分布式系统中实现用户密码的安全管理是一项重要课题。分布式系统通常涉及多个应用场景,如Web应用、移动应用以及第三方服务等。用户的个人信息一般都存储于数据库中,确保用户的 password 安全性、数据完整性以及传输过程具有重要意义。最常用的方法是为防止暴力破解而对 password 添加盐并进行加密存储,这种方法容易成为攻击目标。另一种方法则是依赖单机端设备进行单独的 password 管理工具,然而这种方式无法实现跨网络环境下的统一协调,因此在分布式系统环境中构建有效的 password 管理机制成为一个关键挑战
2.4 Hashicorp Vault
这是一个基于开放源代码的工具包,旨在解决微服务架构中服务间身份验证、数据共享与一致性管理的问题,同时也适用于分布式系统中的密码管理需求。该工具包包含多种安全功能,包括但不限于服务认证、数据共享机制以及动态加密/解密功能等,这些功能设计是为了有效提升微服务架构的安全防护能力。本文所涉及的技术方案及组件构建均基于该工具包,具体包括Vault server、Vault agent、Vault client以及Vault secrets engine等多个核心组件的集成与应用。
3.核心算法原理和具体操作步骤
3.1 服务间身份验证
在分布式系统中存在多个节点之间的通信问题。具体而言，在两个节点之间展开通信之前首先要完成的就是信息的完整性、准确性以及正确性检验工作。具体操作步骤如下：首先由双方系统交换共享对称密码；接着利用该对称密码开展后续通信活动；然而若在此过程中出现密钥泄露或遭受恶意篡改，则会导致通信内容出现不一致现象；为了避免这种风险发生，则必须引入数字签名机制来进行保护；具体而言，在服务端系统中会生成一个独特的私有密钥并将该公有密钥公开；而接收方（客户端）则会在接收到该公有密钥后利用其对消息进行加密处理；随后发送方（服务端）会对加密后的数据应用私有密钥再次加密并将结果返回给接收方；最后接收方会对发送回来的数据解密并核实其来源真实性。
3.2 数据共享与数据一致性
在微服务架构中实现数据统一的方式：通过建立统一的数据共享机制与维护一致性的方法来确保系统内各服务间的协调运作。具体而言，在这一过程中，'数据共享'指的是各微服务基于同一数据库或缓存系统进行信息交互；而'数据一致性'则体现在所有服务对共享资源的修改操作均能达成统一的状态。
3.2.1 数据共享方式
有以下几种数据共享方式：
(1) RESTful API
该方式在微服务架构中是一种常见的接口形式。RESTful API规范规定了每个资源都必须有一个URL地址，并同时提供标准的HTTP方法如GET、POST、PUT和DELETE等。在服务间通信的过程中，可以通过调用这些API来实现数据共享。
(2) RPC（Remote Procedure Call）
在微服务架构中部署时可以通过远程过程调用（RPC）实现服务间的高效通信。通常建议采用轻量级RPC框架如gRPC或Dubbo等来降低系统资源消耗并提升性能。在RPC架构设计中每个服务都会分配一个唯一的标识符该标识符不仅决定了该服务的位置还决定了其提供的功能模块位置与功能模块之间可以通过特定接口进行交互以实现业务流程的无缝衔接本地客户端能够直接调用目标服务器的功能模块而远程客户端同样可以通过标准化协议完成与源服务器的数据交互
(3) 消息队列
在许多场景中，实现数据共享与一致性通常依赖于消息队列的帮助。在微服务架构中，消息队列常采用中间件如ActiveMQ和RabbitMQ来完成任务。当采用这种方式时，在线服务只需将数据发送至消息队列即可。其他在线服务则可定期读取这些信息，并根据相关业务策略由其他服务从中提取利用。
3.2.2 数据一致性保障
为了确保在 Service mesh架构下各服务对共享资源的更改都能达成统一，请问您指的是哪种类型的一致性？为此目的我们需要引入复制机制与同步机制等手段来实现强一致性的目标。以下将详细介绍其中两种主要的方法：一种是基于复制机制与同步机制相结合使用的方式，请问您指的是哪种类型的一致性？为此目的我们需要引入复制机制与同步机制等手段来实现强一致性的目标。
（1）数据复制
该系统采用了一种称为"数据复制机制"的方法，在这种机制下, 每个服务都会独立生成一份本地备份数据副本, 以便在需要时能够快速恢复完整的数据库状态. 该方法具有直观明了的特点, 然而, 它会导致系统运行时产生一定的资源消耗.
（2）数据同步
该系统采用统一的数据副本共享机制，在任何服务进行更新操作时都会同步至所有副本中以保证数据一致性的前提下
3.2.3 强一致性
硬一致性和严格一致性是指在任何时间点上进行的数据读写操作都必须严格遵守预期结果。为了实现硬一致性和严格一致性目标，在系统设计中必须采用严格的事务管理方案。在微服务架构设计中，则可以通过采用分布式事务机制来保证系统的ACID属性基础功能。其中具体的技术手段包括两阶段提交协议（2PC）和三阶段提交协议（3PC）。其中2PC表示两阶段提交协议技术方案，3PC则代表三阶段提交协议技术方案。
3.3 分布式系统中的密码管理
分布式系统中如何安全地管理用户密码是一个重要课题。分布式系统往往涉及多种应用场景，如Web应用、移动应用、第三方服务等。用户信息一般都存储在数据库中，如何保证用户密码的安全、存储和传输是个关键问题。最流行的方法就是对密码加盐并加密存储，但这样做容易遭受暴力攻击。另一种方法就是使用单机的密码管理工具，但这样做无法做到跨网络和多台机器的同步。所以，如何让密码管理在分布式系统中得到有效整合是一个关键问题。
为此，Vault提供了Secrets Engine，允许用户存储、管理和使用密码。Vault支持多种Secrets Engines，如Database secrets engine、Key/value secrets engine、AWS IAM secrets engine、Google Cloud KMS secrets engine等。Vault默认使用Database secrets engine来存储和管理密码。每当用户创建一个新的用户账户或修改密码时，Vault都会加密存储新密码。而且，Vault提供了丰富的API和SDK，方便开发人员使用。Vault还支持多种密钥保护方案，如动态加密、静态加密、密钥轮转等，可以满足不同场景下的安全要求。
4.具体代码实例和解释说明
4.1 配置Vault
---
storage:
file:
path: /vault/file
ha_storage:
config: []
redirector:
disable: false
listener:
tcp:
address: '0.0.0.0:8200'
tls_disable: true
api_addr: http://localhost:8200
cluster_addr: http://localhost:8201
autoseal:
keys_stored: 1
seal:
method: shamir
n_shares: 5
threshold: 3
cache:
use_auto_auth_token: true
filesystem:
enabled: true
paths:
- '/vault/cache/'
metrics_enabled: true
telemetry:
prometheus_retention_time: "15d"
ui: true
代码解读以上是Vault的配置文件。
- storage负责设置Vault的文件存储位置及其相关的哈希存储集群设置，并管理跳转器。
- listener负责设置包括监听地址在内的各项参数：是否启用 TLS 协议、日志级别以及认证类型等。
- api_addr负责配置API接口的具体地址信息。
- cluster_addr负责设定Raft集群使用的地址参数。
- autoseal功能开关决定了当系统中没有可用密钥时，默认使用扩展存储密钥进行加密解密操作。
- seal功能开关决定了保险锁的实现方式：这里采用了Shamir型共享密钥方案。
- cache模块采用了基于自动认证令牌的技术实现缓存功能。
- metrics_enabled开关决定了系统是否启用指标数据采集功能。
- ui开关决定了Web界面是否显示当前系统状态信息。
4.2 安装Vault
在Linux系统下安装Vault很简单，执行以下命令：
sudo curl -fsSL https://apt.releases.hashicorp.com/gpg | sudo apt-key add -
sudo apt-add-repository "deb [arch=amd64] https://apt.releases.hashicorp.com $(lsb_release -cs) main"
sudo apt-get update && sudo apt-get install vault
代码解读上述命令会安装最新版本的Vault。
4.3 配置文件模板编写
创建/etc/vault目录，创建vault.hcl配置文件，其内容如下：
backend "file" {
path = "/vault/file/"
token_type = "batch"
}
auth "ldap" {
groupdn = "ou=groups,dc=example,dc=org"
groupfilter = "(objectClass=groupOfUniqueNames)"
insecure_tls = true
url = "ldaps://ldap.example.org"
usersuppoertedn = "ou=users,dc=example,dc=org"
userattr = "uid"
username_attribute = "cn"
upndomain = "@example.org"
binddn = "cn=admin,dc=example,dc=org"
bindpass = "<PASSWORD>"
}
secret "/" {
policy = "secret-policy"
}
policy "secret-policy" {
name = "secret-policy"
description = "A basic read only policy for all secrets."
// Allow read access on the root path and everything underneath it.
path "secret/*" {
capabilities = ["read"]
}
}
代码解读该配置文件模板包含了三个主要部分：backend、auth以及secret模块。这些模块各自负责存储数据、身份认证以及访问权限控制。
- Backend负责存储Vault的密钥、证书等关键组件的核心功能。
- Auth部分用于配置 LDAP 认证的操作流程及相关的用户名、密码和服务器参数设置。
- Secret部分管理着一个访问策略，并且该策略仅适用于整个 secret 路径。
4.4 初始化Vault
执行以下命令初始化Vault：
vault operator init
代码解读该命令会在控制台显示 Vault 的解密码、 root token 以及各种加密口令。请妥善保存这些信息，请注意，在启动 Vault 时需要输入这几个值。
4.5 运行Vault
执行以下命令运行Vault：
nohup vault server &
代码解读上述命令后台运行Vault，输出日志到nohup.out文件。
4.6 使用Vault客户端
获取的Vault Token可以使用Vault客户端来完成认证，例如命令行工具。
export VAULT_ADDR='http://127.0.0.1:8200'
export VAULT_TOKEN='<your_root_token>'
代码解读配置环境变量VAULT_ADDR赋值于 Vault 服务端点地址，并将 VAULT_TOKEN 设置为获取的主凭证。
利用 Vault 客户端工具连接至 Vault 服务。
vault login
代码解读完成账号登录操作后获得认证成功状态。
导入PasswordLocker应用程序至Vault Client环境。
生成新的密码策略文件名为'passwordlocker'。
vault policy write passwordlocker./passwordlocker.hcl
代码解读用上述构建的政策替代现有默认政策；禁止普通用户向/secrets目录添加敏感信息；优化AuthBackend功能
vault auth enable ldap
代码解读重启Vault：
systemctl restart vault
代码解读创建Policy：
Path "sys/leases/lookup" {
capabilities = ["read", "list"]
}
Path "secret*" {
capabilities = ["create", "update", "delete","list", "read"]
}
Path "identity/*" {
capabilities = ["create", "read", "update", "delete","list"]
}
代码解读添加LDAP Authnetication:
auth "ldap" {
groupdn = "ou=groups,dc=example,dc=org"
groupfilter = "(objectClass=groupOfUniqueNames)"
insecure_tls = true
url = "ldaps://ldap.example.org"
usersuppoertedn = "ou=users,dc=example,dc=org"
userattr = "uid"
username_attribute = "cn"
upndomain = "@example.org"
binddn = "cn=admin,dc=example,dc=org"
bindpass = "xxxxxx"
}
代码解读添加Secrets Engine：
secrets engines
path "database/" {
type = "database"
description = "Database credentials"
config = {
connection_url = "mysql://username:password@host:port/dbname"
allowed_roles = "*"
max_ttl = "24h"
ttl = "24h"
verify_connection = false
plugin_name = "mysql-database-plugin"
}
}
代码解读注册Identity Store:
identity store my_identity_store {
type = "ldap"
config = {
url = "ldaps://ldap.example.org"
base_dn = "ou=users,dc=example,dc=org"
domain = "example.org"
ca_cert = "/path/to/ca.crt"
admin_dn = "cn=admin,dc=example,dc=org"
admin_pw = "$env(LDAP_ADMIN_PW)"
}
}
代码解读创建Role：
vault write database/roles/my-role db_name=mydb creation_statements="CREATE USER '{{name}}'@'%' IDENTIFIED BY '{{password}}';GRANT SELECT ON *.* TO '{{name}}'@'%';" default_ttl="1h" max_ttl="24h"
代码解读注入Secrets：
vault write database/creds/my-app-user rolename=my-role expiration=24h
代码解读从Vault中取出Secrets：
import hvac
from hvac.exceptions import InvalidPath
client = hvac.Client()
try:
print("Reading secret:")
result = client.secrets.kv.v2.read_secret('password')
print(result['data']['data'])
except InvalidPath:
print("No such secret found")
finally:
client.adapter.close()
代码解读根据角色取出特定类型的Secrets：
def get_credentials(client):
"""Return a list of credential pairs."""
role_name ='my-role'
response = client.secrets.identity.lookup_entity_by_role_id('my_identity_store', role_name)['data']
entity_ids = response['entities'].keys()
if not entity_ids:
return {}
request_details = {'jwt': '<JWT>'} # JWT must include at least one bound_cid claim matching one of these entity IDs
response = client.secrets.identity.create_role_id(request_details)['data']
role_id = response['role_id']
response = client.secrets.identity.generate_credential(role_id, metadata={})['data']
data = response['data']['data']
return data
代码解读