如何保障云上數(shù)據(jù)安全？一文詳解云原生全鏈路加密

作者：李鵬、黃瑞瑞 2019-12-16 08:40:44

開(kāi)發(fā)

前端

云原生 對(duì)于云上客戶而言，其云上數(shù)據(jù)被妥善的安全保護(hù)是其最重要的安全需求，也是云上綜合安全能力最具象的體現(xiàn)。本文作者將從云安全體系出發(fā)，到云數(shù)據(jù)安全，再到云原生安全體系對(duì)全鏈路加密進(jìn)行一次梳理，從而回答：在云原生時(shí)代，全鏈路加密需要做什么、如何做到？以及未來(lái)要做什么？

什么是云原生全鏈路加密

數(shù)據(jù)安全在云上的要求，可以用信息安全基本三要素 "CIA"來(lái)概括，即機(jī)密性(Confidentiality)、完整性(Integrity)和可用性(Availability)。

• 機(jī)密性專指受保護(hù)數(shù)據(jù)只可以被合法的(或預(yù)期的)用戶可訪問(wèn)，其主要實(shí)現(xiàn)手段包括數(shù)據(jù)的訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)防泄露、數(shù)據(jù)加密和密鑰管理等手段;
• 完整性是保證只有合法的(或預(yù)期的)用戶才能修改數(shù)據(jù)，主要通過(guò)訪問(wèn)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)中可以通過(guò)校驗(yàn)算法來(lái)保證用戶數(shù)據(jù)的完整性;
• 數(shù)據(jù)的可用性主要體現(xiàn)在云上環(huán)境整體的安全能力、容災(zāi)能力、可靠度，以及云上各個(gè)相關(guān)系統(tǒng)(存儲(chǔ)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通路、身份驗(yàn)證機(jī)制和權(quán)限校驗(yàn)機(jī)制等等)的正常工作保障。

在三要素中，第一要素機(jī)密性(Confidentiality)最常見(jiàn)也是最常被要求的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段就是數(shù)據(jù)加密。具體到云原生維度，需要實(shí)現(xiàn)的就是云原生的全鏈路加密能力。

“全鏈路”指的是數(shù)據(jù)在傳輸 (in Transit，也叫 in-motion)、計(jì)算 (Runtime，也叫 in-process)，存儲(chǔ) (in storage，也叫 at-rest) 的過(guò)程，而“全鏈路加密”指的是端到端的數(shù)據(jù)加密保護(hù)能力，即從云下到云上和云上單元之間的傳輸過(guò)程、到數(shù)據(jù)在應(yīng)用運(yùn)行時(shí)的計(jì)算過(guò)程(使用/交換)，和到數(shù)據(jù)最終被持久化落盤(pán)的存儲(chǔ)過(guò)程中的加密能力。

? 數(shù)據(jù)傳輸 (數(shù)據(jù)通信加密，微服務(wù)通信加密，應(yīng)用證書(shū)和密鑰的管理);

? 數(shù)據(jù)處理(運(yùn)行時(shí)安全沙箱 runV, 可信計(jì)算安全沙箱 runE);

? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) (云原生存儲(chǔ)的 CMK/BYOK 加密支持、密文/密鑰的存儲(chǔ)管理、容器鏡像的存儲(chǔ)加密、容器操作/審計(jì)日志安全)。

本文中的技術(shù)描述針對(duì)的是在云原生全鏈路加密中已有的和未來(lái)需要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目標(biāo)。

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云安全

針對(duì)用戶群體的不同，對(duì)安全鏈路有不同的層次定義，云安全涵蓋了云客戶安全和云廠商安全在 IaaS 的軟件、硬件以及物理數(shù)據(jù)中心等的安全。

• 云原生客戶(Cloud Native Customer)安全：應(yīng)用安全/操作安全/商業(yè)安全/容器網(wǎng)絡(luò)安全/容器數(shù)據(jù)安全/容器運(yùn)行時(shí)安全
• 云客戶(Cloud Customer)安全
• 云廠商(Cloud IaaS DevOps)安全

云原生安全 

云原生安全首先需要遵循云數(shù)據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)，在復(fù)用了云基礎(chǔ)架構(gòu)安全能力的前提下，同時(shí)在安全運(yùn)行時(shí)，軟件供應(yīng)鏈上有進(jìn)一步的安全支持。

云原生存儲(chǔ)是通過(guò)聲明式 API 來(lái)描述了云數(shù)據(jù)的生命周期，并不對(duì)用戶透出底層 IaaS 的數(shù)據(jù)加密細(xì)節(jié)。不同的云原生存儲(chǔ)一般作為云數(shù)據(jù)的載體，復(fù)用了云 IaaS 基礎(chǔ)安全能力，還需要包括軟件供應(yīng)鏈中的鏡像安全，和容器運(yùn)行時(shí) root 文件系統(tǒng)安全和容器網(wǎng)絡(luò)安全。

• 云原生安全的運(yùn)行時(shí) = 數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的計(jì)算安全/內(nèi)存安全/文件系統(tǒng)安全/網(wǎng)絡(luò)安全
• 云原生軟件供應(yīng)鏈安全 = 可執(zhí)行文件/用戶代碼安全
• 云原生基礎(chǔ)架構(gòu)的安全 = 云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全 

云數(shù)據(jù)安全

云用戶數(shù)據(jù)安全包括以下的三個(gè)方面的工作：

• 數(shù)據(jù)保護(hù)：RAM ACL 控制細(xì)粒度的數(shù)據(jù)的訪問(wèn)權(quán)限;敏感數(shù)據(jù)保護(hù)(Sensitive Data Discovery and Protection，簡(jiǎn)稱 SDDP)、數(shù)據(jù)脫敏、數(shù)據(jù)分級(jí)分類;
• 數(shù)據(jù)加密：CMK 加密數(shù)據(jù)能力、BYOK 加密數(shù)據(jù)能力;
• 密鑰/密文管理：KMS/HSM 等云服務(wù)、三方 Vault 服務(wù)。

1. 數(shù)據(jù)安全的生命周期

為了更好的理解數(shù)據(jù)保護(hù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)安全的生命周期有一個(gè)了解，因?yàn)閿?shù)據(jù)保護(hù)貫穿于整個(gè)的數(shù)據(jù)生命周期：

• 數(shù)據(jù)收集
• 數(shù)據(jù)傳輸
• 數(shù)據(jù)處理
• 數(shù)據(jù)交換
• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
• 數(shù)據(jù)銷毀 

云原生數(shù)據(jù)生命周期，以 ACK(容器服務(wù) Kubernetes)掛載阿里云云盤(pán)為例：

• 云盤(pán) PV 的申明和創(chuàng)建定義了數(shù)據(jù)，云盤(pán)數(shù)據(jù)的加密需要在申明定義中就體現(xiàn)，對(duì)密鑰匙選擇、加密算法選擇都可以申明式支持，RAM 權(quán)限細(xì)粒度遵循最小權(quán)限;
• 云盤(pán)掛載到虛擬機(jī)通過(guò) PVC 在容器組 Pod 引用得以觸發(fā)和實(shí)現(xiàn);
• 云盤(pán)數(shù)據(jù)的解密通過(guò)用戶 CMK/BYOK 在塊設(shè)備上實(shí)現(xiàn)透明加密解密;
• Pod 生命周期的變化導(dǎo)致 PVC 關(guān)聯(lián)云盤(pán)在不同宿主 ECS 上的 Detach/Attach;
• 對(duì) PV 的 Snapshot 生命觸發(fā)了云盤(pán) Snapshot 的創(chuàng)建;
• PV 的刪除可以通過(guò) OnDelete 關(guān)聯(lián)到云盤(pán)的中止和數(shù)據(jù)的刪除。

2. 全鏈路的數(shù)據(jù)安全

在狹義上來(lái)說(shuō)是對(duì)數(shù)據(jù)端到端的加密，主要集中在了數(shù)據(jù)生命周期中的三個(gè)階段：

• 數(shù)據(jù)傳輸
• 數(shù)據(jù)處理
• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)傳輸階段

安全通信設(shè)計(jì)，密文/密鑰的安全管理和傳輸，既要滿足云環(huán)境下的安全傳輸、云原生引入的容器網(wǎng)絡(luò)、微服務(wù)、區(qū)塊鏈場(chǎng)景，又對(duì)云原生數(shù)據(jù)安全傳輸提出了進(jìn)一步的要求。

• 云安全傳輸

在云環(huán)境下 VPC/安全組的使用，密文/密鑰的安全管理 KMS 南北向流量通過(guò) SSL 證書(shū)服務(wù)獲取可信有效的 CA，對(duì)南北流量實(shí)現(xiàn) HTTPS 加密和卸載，以及對(duì) RPC/gRPC 通信使用 SSL 加密， 減小 VPC 的攻擊面，通過(guò) VPN/SAG Gateway 來(lái)實(shí)現(xiàn)安全訪問(wèn)鏈路。

• 云原生安全傳輸

云原生場(chǎng)景，單一集群允許多租戶的同時(shí)共享網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)組件權(quán)限控制、數(shù)據(jù)通信加密、證書(shū)輪轉(zhuǎn)管理，多租場(chǎng)景下東西流量的網(wǎng)絡(luò)隔離、網(wǎng)絡(luò)清洗;云原生微服務(wù)場(chǎng)景，應(yīng)用/微服務(wù)間通信加密，和證書(shū)管理;云原生場(chǎng)景下密鑰、密文的獨(dú)立管理和三方集成、KMS 與 Vault CA，fabric-ca, istio-certmanager 等的集成。

數(shù)據(jù)處理階段

數(shù)據(jù)處理階段，對(duì)內(nèi)存級(jí)的可信計(jì)算，既有云安全虛擬化安全運(yùn)行的要求，又有容器安全沙箱和可信安全沙箱的需求。

• 云安全虛擬化可信計(jì)算：TEE SGX、ARM Trust Zone;
• 云原生容器安全沙箱：runV Kata 安全容器沙箱 、runE Graphane/Occlum 可信安全沙箱。 

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)階段

既有云安全對(duì)云存儲(chǔ)加密、云數(shù)據(jù)服務(wù)加密需求，又有對(duì)容器鏡像存儲(chǔ)加密，審計(jì)日志、應(yīng)用日志加密和三方集成的需求，以及對(duì)密文密碼的不落盤(pán)存儲(chǔ)支持。

云存儲(chǔ)加密方式：

• 數(shù)據(jù) + 加密算法 + 用戶密鑰或主密鑰;
• 客戶端加密/服務(wù)端加密。 

云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以服務(wù)端加密為主;安全的密鑰管理 KMS/HSM;安全的加密算法，全面支持國(guó)產(chǎn)算法以及部分國(guó)際通用密碼算法，滿足用戶各種加密算法需求：

• 對(duì)稱密碼算法：支持 SM1、SM4、DES、3DES、AES;
• 非對(duì)稱密碼算法：支持 SM2、RSA(1024-2048);
• 摘要算法：支持 SM3、SHA1、SHA256、SHA384。

阿里云只能管理設(shè)備硬件，主要包括監(jiān)控設(shè)備可用性指標(biāo)、開(kāi)通、停止服務(wù)等。密鑰完全由客戶管理，阿里云沒(méi)有任何方法可以獲取客戶密鑰。

云存儲(chǔ)加密支持：

• 塊存儲(chǔ) EBS 云盤(pán)：支持虛擬機(jī)內(nèi)部使用的塊存儲(chǔ)設(shè)備(即云盤(pán))的數(shù)據(jù)落盤(pán)加密，確保塊存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在分布式系統(tǒng)中加密存放，并支持使用服務(wù)密鑰和用戶自選密鑰作為主密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密;
• 對(duì)象存儲(chǔ) OSS：支持服務(wù)端和客戶端的存儲(chǔ)加密能力。在服務(wù)端的加密中，支持使用服務(wù)密鑰和用戶自選密鑰作為主密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密;在客戶端的加密中，支持使用用戶自管理密鑰進(jìn)行加密，也支持使用用戶 KMS 內(nèi)的主密鑰進(jìn)行客戶端的加密;
• RDS 數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)加密：RDS 數(shù)據(jù)庫(kù)的多個(gè)版本通過(guò)透明加密(Transparent Data Encryption，簡(jiǎn)稱 TDE)或云盤(pán)實(shí)例加密機(jī)制，支持使用服務(wù)密鑰和用戶自選密鑰作為主密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密;
• 表格存儲(chǔ) OTS：支持使用服務(wù)密鑰和用戶自選密鑰作為主密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密;
• 文件存儲(chǔ) NAS：支持使用服務(wù)密鑰作為主密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密;
• MaxCompute 大數(shù)據(jù)計(jì)算：支持使用服務(wù)密鑰作為主密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密;
• 操作日志，審計(jì)日志的安全存儲(chǔ)，以及三方日志系統(tǒng)集成。

云原生存儲(chǔ)加密：目前阿里云容器服務(wù) ACK 可以托管的主要以塊存儲(chǔ)、文件存儲(chǔ)和對(duì)象存儲(chǔ)為主，其他類型的 RDS、OTS 等數(shù)據(jù)服務(wù)是通過(guò) Service Broker 等方式支持：

• 用戶容器鏡像/代碼 (企業(yè)容器鏡像服務(wù)，OSS CMK/BYOK 加密);
• 云原生存儲(chǔ)卷 PV(申明式支持云存儲(chǔ)的 CMK/BYOK 以及數(shù)據(jù)服務(wù)層的加密支持);
• 操作日志和審計(jì)日志 (ActionTrail OpenAPI/Kubernetes AuditLog: SLS 日志加密);
• 密文密碼 (KMS/Vault 對(duì)密文的三方加密支持和內(nèi)存存儲(chǔ)，非 etcd 持久化)。 

結(jié)論

云原生全鏈路的數(shù)據(jù)安全、云安全體系下的全鏈路加密已經(jīng)成為了基礎(chǔ)配置，新的容器化基礎(chǔ)架構(gòu)和應(yīng)用架構(gòu)的變化，結(jié)合云原生技術(shù)體系的特征，在數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)階段都需要增加相應(yīng)云原生環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)行時(shí)、存儲(chǔ)的全鏈路加密需求。

• 既要滿足云環(huán)境下的安全傳輸、云原生引入的容器網(wǎng)絡(luò)、微服務(wù)、區(qū)塊鏈場(chǎng)景，又對(duì)云原生數(shù)據(jù)安全傳輸提出了進(jìn)一步的要求;
• 既有云安全虛擬化安全運(yùn)行的要求，又有容器安全沙箱，可信安全沙箱的需求;
• 既有云安全對(duì)云存儲(chǔ)加密、云數(shù)據(jù)服務(wù)加密需求，又有對(duì)容器鏡像存儲(chǔ)加密、審計(jì)日志、應(yīng)用日志加密和三方集成的需求，以及對(duì)密文密碼的不落盤(pán)存儲(chǔ)的支持。 

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