彻底搞懂 etcd 系列文章（四）：etcd 安全
0 专辑概述
etcd 是云原生架构中重要的基础组件，由 CNCF 孵化托管。etcd 在微服务和 Kubernates 集群中不仅可以作为服务注册与发现，还可以作为 key-value 存储的中间件。
《彻底搞懂 etcd 系列文章》将会从 etcd 的基本功能实践、API 接口、实现原理、源码分析，以及实现中的踩坑经验等几方面具体展开介绍 etcd。预计会有 20 篇左右的文章，笔者将会每周持续更新，欢迎关注。
1 etcd 安全
在上一篇文章介绍了 etcd 集群的运维部署之后，本文将会重点讲解 etcd 的安全通信实践。etcd 支持通过 TLS 协议进行的加密通信。TLS 通道可用于对等体之间的加密内部群集通信以及加密的客户端流量。本文提供了使用对等和客户端 TLS 设置群集的示例。
2 TLS 与 SSL
互联网的通信安全，建立在 SSL/TLS 协议之上。不使用 SSL/TLS 的 HTTP 通信，就是不加密的通信。所有信息明文传播，带来了三大风险：
窃听风险（eavesdropping）：第三方可以获知通信内容。
篡改风险（tampering）：第三方可以修改通信内容。
冒充风险（pretending）：第三方可以冒充他人身份参与通信。
SSL/TLS 协议是为了解决这三大风险而设计的，希望达到：
所有信息都是加密传播，第三方无法窃听。
具有校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现。
配备身份证书，防止身份被冒充。
下面具体介绍下 SSL 与 TLS 的相关概念：
SSL (Secure Socket Layer)：为Netscape所研发，用以保障在Internet上数据传输之安全，利用数据加密(Encryption)技术，可确保数据在网络上之传输过程中不会被截取。目前一般通用之规格为40 bit之安全标准，美国则已推出128 bit之更高安全标准，但限制出境。只要3.0版本以上之I.E.或Netscape浏览器即可支持SSL。
安全传输层协议（TLS）用于在两个通信应用程序之间提供保密性和数据完整性。该协议由两层组成：TLS 记录协议（TLS Record）和 TLS 握手协议（TLS Handshake）。较低的层为 TLS 记录协议，位于某个可靠的传输协议（例如 TCP）上面。
想要实现数据 HTTPS 加密协议访问，保障数据的安全，就需要 SSL 证书，TLS 是 SSL 与 HTTPS 安全传输层协议名称。
3 进行 TLS 加密实践
为了进行实践，我们将会安装一些实用的命令行工具，其中包括 cfssl、cfssljson。
cfssl 是 CloudFlare 的 PKI/TLS 利器。它既是命令行工具，又可以用于签名，验证和捆绑 TLS 证书的 HTTP API 服务器，环境构建方面需要 Go 1.12+。
cfssljson 程序，从 cfssl 获取 JSON 输出，并将证书、密钥、CSR和 bundle 写入指定位置。
环境配置
| HostName | ip | 客户端交互端口 | peer 通信端口 |
|---|---|---|---|
| infra0 | 192.168.202.128 | 2379 | 2380 |
| infra1 | 192.168.202.129 | 2379 | 2380 |
| infra2 | 192.168.202.130 | 2379 | 2380 |
3.1 安装 cfssl
$ ls ~/Downloads/cfssl
cfssl-certinfo_1.4.1_linux_amd64 cfssl_1.4.1_linux_amd64 cfssljson_1.4.1_linux_amd64
chmod +x cfssl_1.4.1_linux_amd64 cfssljson_1.4.1_linux_amd64 cfssl-certinfo_1.4.1_linux_amd64
mv cfssl_1.4.1_linux_amd64 /usr/local/bin/cfssl
mv cfssljson_1.4.1_linux_amd64 /usr/local/bin/cfssljson
mv cfssl-certinfo_1.4.1_linux_amd64 /usr/bin/cfssl-certinfo
安装完成之后，查看版本信息的结果：
$ cfssl version
Version: 1.4.1
Runtime: go1.12.12
3.2 配置 CA 并创建 TLS 证书
我们将使用 CloudFlare's PKI 工具 cfssl 来配置 PKI Infrastructure，然后使用它去创建 Certificate Authority（CA）， 并为 etcd 创建 TLS 证书。
首先创建 ssl 配置目录：
mkdir /opt/etcd/{bin,cfg,ssl} -p
cd /opt/etcd/ssl/
etcd ca 配置：
cat << EOF | tee ca-config.json
{
"signing": {
"default": {
"expiry": "87600h"
},
"profiles": {
"etcd": {
"expiry": "87600h",
"usages": [
"signing",
"key encipherment",
"server auth",
"client auth"
]
}
}
}
}
EOF
etcd ca证书：
cat << EOF | tee ca-csr.json
{
"CN": "etcd CA",
"key": {
"algo": "rsa",
"size": 2048
},
"names": [
{
"C": "CN",
"L": "Shanghai",
"ST": "Shanghai"
}
]
}
EOF
生成 CA 凭证和私钥：
$ cfssl gencert -initca ca-csr.json | cfssljson -bare ca
2020/04/30 20:36:58 [INFO] generating a new CA key and certificate from CSR
2020/04/30 20:36:58 [INFO] generate received request
2020/04/30 20:36:58 [INFO] received CSR
2020/04/30 20:36:58 [INFO] generating key: rsa-2048
2020/04/30 20:36:58 [INFO] encoded CSR
2020/04/30 20:36:58 [INFO] signed certificate with serial number 252821789025044258332210471232130931231440888312
$ ls
ca-config.json ca-csr.json ca-key.pem ca.csr ca.pem
etcd server证书：
cat << EOF | tee server-csr.json
{
"CN": "etcd",
"hosts": [
"192.168.202.128",
"192.168.202.129",
"192.168.202.130"
],
"key": {
"algo": "rsa",
"size": 2048
},
"names": [
{
"C": "CN",
"L": "Beijing",
"ST": "Beijing"
}
]
}
EOF
生成 server 证书：
cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=etcd server-csr.json | cfssljson -bare server
2020/04/30 20:44:37 [INFO] generate received request
2020/04/30 20:44:37 [INFO] received CSR
2020/04/30 20:44:37 [INFO] generating key: rsa-2048
2020/04/30 20:44:37 [INFO] encoded CSR
2020/04/30 20:44:37 [INFO] signed certificate with serial number 73061688633166283265484923779818839258466531108
ls
ca-config.json ca-csr.json ca-key.pem ca.csr ca.pem server-csr.json server-key.pem server.csr server.pem
启动 etcd 集群，配置如下：
#etcd1 启动
$ /opt/etcd/bin/etcd --name etcd1 --initial-advertise-peer-urls https://192.168.202.128:2380 \
--listen-peer-urls https://192.168.202.128:2380 \
--listen-client-urls https://192.168.202.128:2379,https://127.0.0.1:2379 \
--advertise-client-urls https://192.168.202.128:2379 \
--initial-cluster-token etcd-cluster-1 \
--initial-cluster etcd1=https://192.168.202.128:2380, etcd2=https://192.168.202.129:2380, etcd3=https://192.168.202.130:2380 \
--initial-cluster-state new \
--client-cert-auth --trusted-ca-file=/opt/etcd/ssl/ca.pem \
--cert-file=/opt/etcd/ssl/server.pem --key-file=/opt/etcd/ssl/server-key.pem \
--peer-client-cert-auth --peer-trusted-ca-file=/opt/etcd/ssl/ca.pem \
--peer-cert-file=/opt/etcd/ssl/server.pem --peer-key-file=/opt/etcd/ssl/server-key.pem
#etcd2 启动
/opt/etcd/bin/etcd --name etcd2 --initial-advertise-peer-urls https://192.168.202.129:2380 \
--listen-peer-urls https://192.168.202.129:2380 \
--listen-client-urls https://192.168.202.129:2379,https://127.0.0.1:2379 \
--advertise-client-urls https://192.168.202.129:2379 \
--initial-cluster-token etcd-cluster-1 \
--initial-cluster etcd1=https://192.168.202.128:2380, etcd2=https://192.168.202.129:2380, etcd3=https://192.168.202.130:2380 \
--initial-cluster-state new \
--client-cert-auth --trusted-ca-file=/opt/etcd/ssl/ca.pem \
--cert-file=/opt/etcd/ssl/server.pem --key-file=/opt/etcd/ssl/server-key.pem \
--peer-client-cert-auth --peer-trusted-ca-file=/opt/etcd/ssl/ca.pem \
--peer-cert-file=/opt/etcd/ssl/server.pem --peer-key-file=/opt/etcd/ssl/server-key.pem
#etcd3 启动
/opt/etcd/bin/etcd --name etcd3 --initial-advertise-peer-urls https://192.168.202.130:2380 \
--listen-peer-urls https://192.168.202.130:2380 \
--listen-client-urls https://192.168.202.130:2379,https://127.0.0.1:2379 \
--advertise-client-urls https://192.168.202.130:2379 \
--initial-cluster-token etcd-cluster-1 \
--initial-cluster etcd1=https://192.168.202.128:2380, etcd2=https://192.168.202.129:2380, etcd3=https://192.168.202.130:2380 \
--initial-cluster-state new \
--client-cert-auth --trusted-ca-file=/opt/etcd/ssl/ca.pem \
--cert-file=/opt/etcd/ssl/server.pem --key-file=/opt/etcd/ssl/server-key.pem \
--peer-client-cert-auth --peer-trusted-ca-file=/opt/etcd/ssl/ca.pem \
--peer-cert-file=/opt/etcd/ssl/server.pem --peer-key-file=/opt/etcd/ssl/server-key.pem
通过三台服务器的控制台可以知道，集群已经成功建立，我们进行验证：
$ /opt/etcd/bin/etcdctl --cacert=/opt/etcd/ssl/ca.pem --cert=/opt/etcd/ssl/server.pem --key=/opt/etcd/ssl/server-key.pem --endpoints="https://192.168.202.128:2379,https://192.168.202.129:2379,https://192.168.202.130:2379" endpoint health
# 输出如下：
https://192.168.202.129:2379 is healthy: successfully committed proposal: took = 9.492956ms
https://192.168.202.130:2379 is healthy: successfully committed proposal: took = 12.805109ms
https://192.168.202.128:2379 is healthy: successfully committed proposal: took = 13.036091ms
查看三个节点的健康状况，endpoint health ，输出的结果符合我们的预期。其次，查看集群的成员列表：
$ /opt/etcd/bin/etcdctl --cacert=/opt/etcd/ssl/ca.pem --cert=/opt/etcd/ssl/server.pem --key=/opt/etcd/ssl/server-key.pem --endpoints="https://192.168.202.128:2379,https://192.168.202.129:2379,https://192.168.202.130:2379" member list
# 输出如下：
48e15f7612b3de1, started, etcd2, https://192.168.202.129:2380, https://192.168.202.129:2379, false
6b57a3c3b8a54873, started, etcd3, https://192.168.202.130:2380, https://192.168.202.130:2379, false
c1ba2629c5bc62ac, started, etcd1, https://192.168.202.128:2380, https://192.168.202.128:2379, false
输出三个成员，完全符合我们的预期。经过 TLS 加密的 etcd 集群，在进行操作时，需要加上认证相关的信息，我们尝试先写再读的操作：
$ /opt/etcd/bin/etcdctl --cacert=/opt/etcd/ssl/ca.pem --cert=/opt/etcd/ssl/server.pem --key=/opt/etcd/ssl/server-key.pem --endpoints="https://192.168.202.128:2379,https://192.168.202.129:2379,https://192.168.202.130:2379" put hello world
OK
$ /opt/etcd/bin/etcdctl --cacert=/opt/etcd/ssl/ca.pem --cert=/opt/etcd/ssl/server.pem --key=/opt/etcd/ssl/server-key.pem --endpoints="https://192.168.202.128:2379,https://192.168.202.129:2379,https://192.168.202.130:2379" get hello
hello
world
写入 hello->wold 的键值对，读取的时候，控制台正常输出了键值。至此，我们成功将 etcd 的通信加密。
3.3 自动证书
如果集群需要加密的通信但不需要经过身份验证的连接，则可以将 etcd 配置为自动生成其密钥。在初始化时，每个成员都基于其通告的 IP 地址和主机创建自己的密钥集。
在每台机器上，etcd 将使用以下标志启动：
$ etcd --name etcd1 --initial-advertise-peer-urls https://192.168.202.128:2380 \
--listen-peer-urls https://192.168.202.128:2380 \
--listen-client-urls https://192.168.202.128:2379,https://127.0.0.1:2379 \
--advertise-client-urls https://10.0.1.10:2379 \
--initial-cluster-token etcd-cluster-1 \
--initial-cluster infra0=https://192.168.202.128:2380,infra1=https://192.168.202.129:2380,infra2=https://192.168.202.130:2380 \
--initial-cluster-state new \
--auto-tls \
--peer-auto-tls
注意，由于自动签发证书并不认证身份，因此直接 curl 会返回错误。需要使用 curl 的 -k 命令屏蔽对证书链的校验。
4 小结
本文重点讲解了 etcd 集群的 TLS 安全认证配置，数据通信明文传播存在篡改、窃听、冒充等风险。互联网的通信安全，建立在 SSL/TLS 协议之上。基于 cfssl 工具，验证并且捆绑 TLS 证书，为 etcd 集群成员之间的通信保驾护航。
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10 分钟快速入门云原生存储组件 etcd
参考
etcd docs