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在 Google Cloud Load Balancer 上配置多重相互 TLS 认证并使用 Nginx 进行路由的可行性分析
1. 引言
本报告旨在分析在 Google Cloud Platform (GCP) 环境中，通过配置 Google Cloud Load Balancer (GLB) 实现多重相互传输层安全性协议 (mTLS) 认证，并基于客户端证书和 URL 路径，将流量路由至不同的 Nginx 后端服务的可行性。用户当前的 Nginx 配置已具备基础的 mTLS 功能，本分析将探讨如何利用 GLB 的功能来集中管理和扩展 mTLS 认证，并实现细粒度的路由控制。初步评估显示，结合 GLB 的 mTLS 终止功能和 Nginx 的灵活路由能力，用户的需求可以得到有效满足。
2. 在 Google Cloud Load Balancer 上配置多重 mTLS 的可行性
Google Cloud Load Balancer (GLB) 具备支持相互 TLS (mTLS) 的能力，用于对连接到应用程序的客户端进行身份验证 。配置 mTLS 涉及到创建信任配置资源 (Trust Config)，该资源包含了受信任的证书颁发机构 (CA) 证书 。此外，还需要创建客户端身份验证资源 (Client Authentication resource)，也称为 ServerTLSPolicy，用于关联信任配置并定义客户端证书验证模式，例如拒绝无效证书 (REJECT_INVALID) 或允许无效或缺失的证书 (ALLOW_INVALID_OR_MISSING_CLIENT_CERT) 。这些资源最终会附加到负载均衡器的 HTTPS 前端配置上 。
GLB 允许在单个信任配置资源中配置多个信任锚（根证书）和中间证书 。这意味着可以信任由不同 CA 签发的客户端证书。虽然文档并未明确指出基于客户端证书的不同属性进行流量路由的具体配置选项，但通过配置多个信任存储（Trust Store），每个存储对应一组特定的客户端，并将其与不同的前端或后端服务关联，这暗示了处理多重 mTLS 配置的可能性 。然而，用于路由的主要机制似乎是通过传递给后端的客户端证书数据来实现的。
官方文档  强调在全球或区域级别创建信任配置和客户端身份验证资源。这表明，为实现基于不同客户端群组的路由，可能需要仔细规划这些资源。如果不同的客户端群体需要访问不同的后端服务，并且需要针对不同的 CA 进行验证，那么将所有 CA 放在一个信任配置中可能会难以管理。因此，探索使用多个客户端身份验证资源或利用自定义标头进行路由变得至关重要。社区关于通过 DNS 映射 mTLS 的讨论 ，尽管侧重于服务器证书，但也反映了根据客户端的预期目的地来区分 mTLS 的潜在需求，这与用户基于位置路由的目标相符。尽管这些讨论中的直接问题是关于 DNS 映射，但核心问题在于将不同的安全策略（在本例中是 mTLS 信任）与不同的访问路径相关联。这进一步强调了探索 GLB 如何为路由目的促进这种区分的重要性。
3. 将客户端证书信息传递给后端 Nginx
Google Cloud Load Balancer (GLB) 能够使用自定义 HTTP 标头将关于 mTLS 连接的信息传递给后端服务 。这些标头可以包含客户端证书是否存在、验证状态以及可能从证书中提取的特定字段等详细信息 。诸如 client_cert_present 和 client_cert_chain_verified 等变量可用于此目的 。
虽然提供的文档片段没有明确列出默认包含完整客户端证书内容的标头，但“传递从证书中提取的选定字段”的能力  表明，可以提取相关的属性，例如主题通用名称 (CN)、组织单位 (OU) 或其他主题备用名称 (SAN)，并通过标头传递。一些外部资源（未在提供的片段中，但值得注意）表明，GLB 也可能在标头中传递原始客户端证书。
依赖自定义标头来向后端传递客户端证书信息意味着需要在 Nginx 中配置相应的读取和处理这些特定标头。GLB 终止 mTLS 连接，后端 Nginx 实例不直接参与与客户端的 TLS 握手。因此，Nginx 了解客户端证书的唯一方式是通过 GLB 在标头中传递的信息。传递验证结果的能力  使得 Nginx 可以基于 GLB 是否成功验证了客户端证书来做出路由决策。这会将初始的身份验证责任转移到专为此设计的 GLB 上，而 Nginx 则可以专注于基于已验证的身份信息进行授权和路由。提供的文档片段中没有默认包含完整客户端证书的标头，这可能需要在 Nginx 中依赖特定的证书属性进行路由逻辑。如果路由需要基于客户端证书中的特定字段，那么了解 GLB 可以提取哪些字段并通过标头传递至关重要。这可能会影响客户端证书的设计以及 Nginx 中的路由逻辑。
4. 使用 mTLS 进行基于位置的路由的 Nginx 配置
Nginx 可以通过 $http_header_name 这样的变量访问由 GLB 设置的 HTTP 标头（例如，$http_client_cert_present）。提供的 Nginx 配置  已经使用了 $ssl_client_s_dn_cn，这表明用户熟悉访问客户端证书属性，尽管这很可能是来自 Nginx 直接终止 mTLS 的情况。在使用 GLB 的情况下，需要将此方法调整为检查由 GLB 传递的标头。
Nginx 的 location 块允许为不同的 URL 路径定义不同的配置。location 块中的 if 语句可以基于从 GLB 收到的客户端证书标头的值创建条件逻辑 。示例配置  展示了检查 $ssl_client_s_dn_cn 变量并在其与特定值不匹配时返回 406 错误。此逻辑可以调整为检查来自 GLB 的标头。location 块中的 proxy_pass 指令将请求转发到不同的后端服务器或上游组 。不同的 location 块可以根据客户端证书标头和请求的 URL 将请求代理到不同的后端服务。
实现用户目标的关键在于正确地将 GLB 传递的客户端证书信息映射到 Nginx location 块中的特定路由规则。对于通过不同位置访问的每个服务，Nginx 需要检查相关的客户端证书属性（由 GLB 在标头中传递），然后使用 proxy_pass 将流量导向正确的后端。在 Nginx 中使用 if 语句进行路由逻辑应谨慎对待，如某些片段  中所强调的那样，对于复杂的路由规则，使用 map 指令等替代方法可能更有效。虽然 if 语句对于简单的条件来说很直接，但它们有时会导致 Nginx 中出现意外行为或性能问题。探索 map 指令，甚至在需要更高级逻辑的情况下使用 Lua 脚本可能对实现稳健的解决方案有益。现有的 Nginx 配置  为适应 GLB 传递的标头提供了一个有价值的模板。检查客户端证书 CN 的逻辑可以修改为检查由 GLB 传递的包含 CN 的标头的值。
5. 建议的架构和配置步骤
 * Google Cloud Load Balancer 配置：
   * 创建信任配置： 在 Google Cloud Certificate Manager 中为需要访问不同服务的每个客户端组创建单独的信任配置资源。每个信任配置将包含该特定组信任的 CA 证书 。
     * 说明： 使用单独的信任配置可以为不同的客户端组提供更好的隔离和可管理性。
   * 创建客户端身份验证资源： 在网络安全中创建客户端身份验证资源 (ServerTLSPolicy)，将每个资源链接到相应的信任配置。选择适当的客户端验证模式（例如，对于严格的 mTLS，选择 REJECT_INVALID）。
     * 说明： 每个客户端身份验证资源定义了一组特定客户端的 mTLS 策略。
   * 将客户端身份验证附加到负载均衡器： 将客户端身份验证资源附加到 GLB 的 HTTPS 前端配置。如果 GLB 允许将不同的策略与不同的监听器或路径关联，则可能需要创建多个前端配置。（需要进一步调查 GLB 在关联多个 mTLS 策略方面的能力）。
     * 说明： 此步骤在 GLB 级别对传入连接强制执行 mTLS。
   * 配置自定义标头： 配置 GLB 的后端服务以添加自定义标头，这些标头将相关的客户端证书信息（例如，主题 CN、OU 或唯一标识符）传递给后端 Nginx 实例 。
     * 说明： 此步骤使客户端的身份信息可供 Nginx 实例用于路由决策。
 * Nginx 配置：
   * 读取自定义标头： 配置 Nginx 以读取由 GLB 设置的包含客户端证书信息的自定义标头。
   * 基于标头检查的基于位置的路由： 为每个服务定义单独的 location 块。在每个 location 块中，使用 if 语句或 map 指令检查客户端证书标头的值。
   * 条件 proxy_pass： 基于客户端证书标头值和请求的位置，使用 proxy_pass 将请求转发到相应的后端服务。
     * 示例 Nginx 配置片段（仅供说明）：
```nginx
       http {
    js_import njs/http.js;
    js_set $client_cn http.getHeader("X-Client-Cert-CN"); # 假设 GLB 在此标头中传递 CN

    server {
        listen 443 ssl;
        server_name your-glb-ip-or-hostname;

        location /service-a/ {
            if ($client_cn = "client-a.example.com") {
                proxy_pass http://backend-service-a.internal:80;
            } return 403; # 如果 CN 不匹配则拒绝访问
        }

        location /service-b/ {
            if ($client_cn = "client-b.example.com") {
                proxy_pass http://backend-service-b.internal:80;
            } return 403; # 如果 CN 不匹配则拒绝访问
        }

        #... 其他 location 块...
    }
}
```

     * 说明： Nginx 充当智能路由器，根据经过身份验证的客户端的身份和请求的资源来导向流量。
 * 表规格：
   * 在“建议的架构和配置步骤”部分中，添加一个表格来总结客户端证书（或其属性）、请求的位置和后端服务之间的映射将很有价值。
   * 表数据：
     | 客户端证书标识符（例如，预期的主题 CN） | 请求的位置（例如，/service-a/） | 后端服务（例如，http://backend-service-a.internal:80） |
     | :------------------------------------- | :------------------------------------- | :------------------------------------------------------ |
     | client-a.example.com | /service-a/ | http://backend-service-a.internal:80 |
     | client-b.example.com | /service-b/ | http://backend-service-b.internal:80 |
     |... |... |... |
   * 说明： 此表将清晰简洁地概述路由逻辑，方便用户理解和实施配置。它明确展示了如何根据 URL 路径将不同的客户端身份与不同的服务关联起来。
6. 安全注意事项
实施一套健全的客户端和服务器证书管理系统至关重要，包括安全存储、轮换和吊销 。保护 GLB 中包含 CA 证书的信任存储至关重要 。如果 GLB 和 Nginx 之间的连接不安全，则应确保 GLB 传递给 Nginx 的标头不易被篡改。建议使用内部网络进行此通信。保护 Nginx 配置文件并限制访问，以防止未经授权的修改。虽然 GLB 处理身份验证，但 Nginx 应基于客户端证书信息实施进一步的授权检查，以确保客户端仅访问其被允许访问的资源。此架构的安全性在很大程度上取决于证书基础设施的完整性和客户端身份信息的安全传输。被泄露的证书或不安全的通信渠道可能导致未经授权的访问。因此，强烈关注证书管理和网络安全至关重要。仅仅依赖客户端证书 CN 进行 Nginx 中的路由可能不是最安全的方法。考虑使用更独特的标识符或结合使用多个证书属性以增强安全性。CN 有时可能不如其他证书字段那样独特。使用自定义属性或属性组合可以降低冒充的风险。
7. 可扩展性和性能
Google Cloud Load Balancer (GLB) 专为高可扩展性而设计，可以处理大量的 SSL/TLS 连接和流量 。Nginx 是一款高性能的 Web 服务器和反向代理，能够以高效的资源利用率处理大量的请求 。mTLS 由于相互身份验证，会增加连接建立过程的一些开销。然而，GLB 对此进行了优化。Nginx 路由的效率取决于路由规则的复杂性。使用 map 指令通常比复杂的嵌套 if 语句更有效。GLB 和 Nginx 的结合提供了一个可扩展的架构来处理 mTLS 和路由。GLB 处理初始的 mTLS 终止的繁重工作，而 Nginx 则根据提供的信息高效地路由流量。这种分层方法利用了两个组件的优势，允许通过在 GLB 后添加更多 Nginx 实例来实现系统的水平扩展。仔细配置 Nginx 路由规则对于确保最佳性能非常重要。避免使用可能引入延迟的过于复杂或低效的逻辑。结构良好且优化的 Nginx 配置对于在高负载下保持低延迟和高吞吐量至关重要。
8. 故障排除
 * GLB mTLS 问题：
   * 验证信任配置和客户端身份验证资源的配置 。
   * 检查证书要求（例如，基本约束、扩展密钥用法）。
   * 查看客户端验证模式设置 。
   * 检查传递给后端的自定义标头 。
   * 查阅 GLB 日志以查找错误 。
 * Nginx 路由问题：
   * 验证 Nginx 配置语法和逻辑。
   * 检查 Nginx 是否正确读取来自 GLB 的自定义标头。
   * 使用不同的客户端证书和 URL 位置测试路由规则。
   * 查看 Nginx 错误日志以查找任何问题。
   * 确保后端服务可访问且运行正常。
 * 常见的 mTLS 问题（一般）：
   * 证书未被信任的 CA 正确签名 。
   * 客户端证书未提供或无效 。
   * 证书格式不正确或存在密码短语问题。
   * 防火墙规则阻止流量。
排除 mTLS 故障需要验证 GLB 和 Nginx 级别的配置，并确保客户端证书有效且受信任。该过程需要对整个系统（从客户端到后端服务）进行全面了解。问题可能出现在 mTLS 握手的任何阶段或路由过程中。在 GLB 和 Nginx 级别进行仔细的日志记录对于有效诊断问题至关重要 。日志提供了对系统行为的宝贵见解，有助于查明错误的根源。
9. 结论与建议
配置 Google Cloud Load Balancer (GLB) 上的多重相互 TLS (mTLS) 认证，并使用 Nginx 基于客户端证书进行基于位置的路由是可行的。实现此方案的关键步骤包括在 GLB 上创建和配置信任配置和客户端身份验证资源，以及配置 GLB 将客户端证书信息通过自定义标头传递给后端 Nginx 实例。然后，Nginx 可以读取这些标头，并根据客户端证书信息和请求的 URL 路径，使用 location 块和条件逻辑（如 if 语句或 map 指令）将流量路由到不同的后端服务。
为了成功实施此方案，建议用户采取以下措施：首先，针对少量服务和客户端进行试点实施。其次，使用各种客户端证书和 URL 位置彻底测试配置。第三，实施全面的证书管理和监控机制。第四，确保 GLB 和 Nginx 之间的通信安全。最后，根据需要定期审查和更新配置。实施此解决方案可以显著增强对不同服务的访问安全性和控制。通过在负载均衡器级别利用 mTLS，并在应用程序代理级别进行细粒度的路由，用户可以实现强大且安全的架构。此设置的复杂性需要仔细规划和执行。分阶段实施和彻底测试对于成功部署至关重要。引入 mTLS 和基于证书的路由与传统的身份验证方法相比增加了一层复杂性。周密的实施计划可以最大限度地降低错误风险并确保平稳过渡。
