基于 AWS IoT 证书授权最终用户访问云上资源

前言

企业在 AWS 上构建自己的应用系统时，常常需要授权应用系统的最终用户直接访问 AWS 资源（例如：允许最终用户访问非公开权限的 Amazon S3 存储桶）。AWS 通过 Identity and Access Management (IAM)服务授权用户访问 AWS 资源。在面对最终用户时，企业可以选择 Amazon Cognito 结合 IAM从应用程序端控制 AWS 资源访问。这需要企业将 Amazon Cognito 与管理最终用户的身份提供商（IDP, Identity Provider）进行集成，以实现 AWS 资源访问控制^[1]。

本文将会介绍一种基于 x.509 证书的认证方式，并结合 AWS Identity and Access Management (IAM) 服务完成对相关资源的授权。从实现角度上看，该方式具有如下特点：

无需与第三方 IDP 即成，实现简单；
无需预付费用，适合对成本敏感的企业；
基于 509 的认证方式，安全可靠

关于 AWS IoT

在 AWS 上，用户可以通过 AWS Certificate Manager 或 AWS IoT 服务获取 x.509 证书。本文所介绍的方案涉及到基于证书的认证、授权，将使用 AWS IoT 服务对证书进行管理。

在介绍方案之前，先来简要介绍一下 AWS IoT^[2] 服务。AWS IoT 通过“物品 (Thing)”、“证书 (Certificate)”、“策略 (Policy)”来管理物联设备。物品可以属于一个或多个物品组 (Thing Group)，策略可以关联给物品、物品组、或物品组中包含的其它物品组。此外，物品还可以属于某一种物品类型 (Thing Type)，属于物品类型的物品可以拥有最多 50 个属性 (Attribute) 用于描述物品，而不属于任何物品类型的物品最多只能拥有 3 个属性。下图所表示的是它们之间的对应关系：

图1：AWS IoT 基本概念

用户管理体系设计

借助 AWS IoT 证书实现对最终用户的认证、授权管理，本质上就是将最终用户在逻辑上视作一个物联设备，借助 AWS IoT 中的“物品”及物品属性的概念管理用户信息，利用 AWS IoT 证书的认证、授权过程实现针对最终用户的认证、授权。接下来，我将进一步阐述这一对应关系。

概念对应关系

用户信息 vs 物品属性：

通常，在应用系统中进行用户管理时往往需要一个数据库来记录用户信息，例如记录用户的 ID、姓名、电话、邮箱等。AWS IoT 中的物品可以通过属性的方式来记录物品的元数据，这些元数据可以用来表示最终用户的基本信息。

用户组 vs 物品组：

用户组通常用来简化对一批同类用户进行授权的过程。在 AWS IoT 服务中，物品组在关联策略之后可以向组内所有物品进行统一授权，这与用户组的概念非常接近。本文中的方法也是用 AWS IoT 物品组代表用户组。

公司/组织 vs 物品类型：

每一个物品仅能属于一个物品类型，正如一个用户往往只属于一个公司或组织。在本文中将使用 AWS IoT 物品类型代表现实中的公司。这对于那些多租户的 SaaS 应用非常必要。

整体对应关系如下表示：

图2：概念对应

权限设计

借助关联给物品的证书，AWS IoT 服务与 AWS IAM、AWS STS 等服务集成，可以授权物品直接访问 AWS 资源和服务。这一过程如下图所示：

图3：借助 AWS IoT 服务直接访问 AWS 资源

上图所示过程可以在官方文档上找到详细说明^[3]，本文不再赘述。概括而言，这一过程可以细分为两次验证、两次授权：

AWS IoT 服务验证证书的有效性，完成认证过程；
AWS IoT 对用户进行授权，允许通过 AWS STS 服务继承特定的 IAM 角色，获得临时用户凭证（AKSK）；
用户使用临时用户凭证对 API 调用请求进行签名，AWS 验证签名的有效性；
验证请求有效后，根据对应的 IAM 角色授予相关 AWS 资源的访问权限。

验证有效性的工作由 AWS 服务自动完成，用户只需对上述 2、4 两个环节中涉及到的权限进行设置：

AWS IoT 权限：授权所使用的证书可以使用 sts:AssumeRole。这是必须授予的权限，是后续操作正常完成的前提。
AWS IAM Role 权限：授予用户访问具体 AWS 服务的权限。该权限根据不同应用、不同用户进行对应的设置。

在实际应用过程中往往通过“用户组”和/或传递变量的方式来简化授权过程。如前文中所提到的，我们可以使用 AWS IoT Thing Group 作为“用户组”实现批量授权。在变量方面，AWS IAM 可以接受的 AWS IoT 变量类型如下：

credentials-iot:ThingName
credentials-iot:ThingTypeName
credentials-iot:AwsCertificateId

我们可以利用这些变量实现只使用一个 AWS IAM Role 就可以针对不同用户授予不同权限的目的（例如：每一个用户仅可以访问 Amazon S3 存储桶中自己的目录）。

下面我将介绍上述设计的原型实现，以帮助大家更好的理解这一设计思路。

原型实现

此部分中如未做特殊说明，均使用 Linux 环境，并安装 awscli 工具。关于 awscli 的安装，请参考官方文档^[4]。对于所使用到的 aws api 说明，请参考在线帮助^[5]。该原型使用宁夏区域（cn-northwest-1）资源。

需要说明的是，该方法同样适用于海外的其它区域，您无需修改代码，只需要注意替换相关资源的 ARN 为海外区域的 ARN 即可。

该原型将模拟一名最终用户，以 IoT 证书作为自己的用户凭证，完成验证后可以访问 Amazon S3 存储桶中以自己名字命名的目录（读写权限），但无法对其它目录拥有写权限。

创建用户载体

根据本文“概念对应关系”章节中的内容，首先需要在 AWS IoT 服务中创建出“公司”、“最终用户”、“用户授权组”的对应的载体，即：ThingType、Thing 和 ThingGroup，以及用户用来作为自身凭据的 x.509 证书。

创建 ThingType（公司）

aws iot create-thing-type \

--thing-type-name "AWS" \

--thing-type-properties "thingTypeDescription=testing, searchableAttributes=login,emailAddress,assumeRole"

创建 Thing（最终用户）

aws iot create-thing --cli-input-json file://user-liuwp001-s3.json

其中，文件 user-liuwp001-s3.json 用于描述 Thing 的相关信息，示例如下：

{
  “thingName”: “liuwp001-s3”,
  “thingTypeName”: “AWS”,
  "attributes": {
    "JobRole": "PSA",
    "Company": "AWS",
    "FamilyName": "Liu",
"GivenName": "WP",
"emailAddress": "xxxxxxxx",
    "assumeRole": "S3User"
  }
}

其中的 thingName 就是用户在应用系统中的用户名，也是后续 S3 存储桶中用户目录的目录名。而属性信息其实就是用户自身的注册信息，它们将会以 Thing 属性的形式被保留在 AWS IoT 服务中。

创建 ThingGroup（授权组）

aws iot create-thing-group --cli-input-json file://s3-access.json

其中，文件 s3-access.json 用于描述该 ThingGroup 的相关信息，示例如下：

{
    "thingGroupName": "s3-access",
    "thingGroupProperties": {
        "thingGroupDescription": "This group is for s3 access based on different user.",
        "attributePayload": {
            "attributes": {
                "securityLevel": "High"
            },
            "merge": true
        }
    }
}

为 Thing 创建证书

执行以下命令时，THING_NAME 、证书保存的目录都可以根据自己的需要进行设定。

THING_NAME=user-liuwp001-s3

aws iot create-keys-and-certificate --set-as-active \
    --public-key-outfile ~/iot-cert/$THING_NAME/$THING_NAME.public.key \
    --private-key-outfile ~/iot-cert/$THING_NAME/$THING_NAME.private.key \
    --certificate-pem-outfile ~/iot-cert/$THING_NAME/$THING_NAME.certificate.pem

上述命令成功执行后会返回所生成证书的 ARN，执行以下命令将证书关联到之前创建的 Thing 上：

aws iot attach-thing-principal --thing-name $THING_NAME --principal <YOUR_CERT_ARN>

生成的证书文件需要交付到最终用户手中。

授权设置

根据前文“权限设计”中的介绍，本方案中有两处权限需要设置：AWS IAM Role 和 AWS IoT。

在 AWS IAM 中进行权限设置：

关于 AWS IAM Role 的详细概念说明可以参考官方文档^[6]，本文不再赘述。下面着重介绍如何创建出符合本文设定场景的 IAM Role。

此处创建的 IAM Role 需要被 AWS IoT 的 credentials（见本文图3）服务所调用。因此，这个 Role 的信任实体应当设置为 credentials.iot.amazonaws.com。执行以下命令创建 IAM Role，请注意将 <YOUR_ROLE_NAME> 根据需要进行替换。

aws iam create-role --role-name <YOUR_ROLE_NAME> --assume-role-policy-document file://trustpolicy.json

其中 trustpolicy.json 的内容示例如下：

{
  "Version": "2012-10-17",
  "Statement": [
    {
      "Effect": "Allow",
      "Principal": {
        "Service": "credentials.iot.amazonaws.com"
      },
      "Action": "sts:AssumeRole"
    }
  ]
}

Role 创建出来后需要和 IAM 策略相关联，以便授予对应权限。本文中最终用户通过 IoT 证书所获得的权限是访问专门的 S3 存储桶（只读），仅对以自己名字命名的目录拥有读写权限。通过以下方式创建用于描述 IAM 策略的 json 文件，在 IAM 策略中接受 credentials-iot:ThingName 变量。

使用过程中注意将 <YOUR_BUCKET> 和 <BUCKET_PREFIX> 根据需要进行替换。

cat >s3-access-policy.json <<eof
{
    "Version": "2012-10-17",
    "Statement": [
        {
            "Effect": "Allow",
            "Action": "s3:ListBucket",
            "Resource": "arn:aws-cn:s3:::<YOUR_BUCKET>",
            "Condition": {
                "StringLike": {
                    "s3:prefix": [
                        "<BUCKET_PREFIX>/${credentials-iot:ThingName}/*",
                        "<BUCKET_PREFIX>/${credentials-iot:ThingName}/"
                    ]
                }
            }
        },
        {
            "Effect": "Allow",
            "Action": "s3:GetObject",
            "Resource": "arn:aws-cn:s3::: <YOUR_BUCKET>/*"
        },
        {
            "Effect": "Allow",
            "Action": "s3:*",
            "Resource": [
                "arn:aws-cn:s3::: <YOUR_BUCKET>/<BUCKET_PREFIX>/${credentials-iot:ThingName}",
                "arn:aws-cn:s3::: <YOUR_BUCKET>/<BUCKET_PREFIX>/${credentials-iot:ThingName}/*"
            ]
        }
    ]
}
eof

基于该内容创建 IAM 策略，并关联到之前创建的 IAM Role 上：

# 创建 IAM Policy，并记录结果中的 ARN

aws iam create-policy --policy-name sobey-cctv-reporter --policy-document file://s3-access-policy.json

aws iam attach-role-policy --role-name <ROLE_NAME> --policy-arn <POLICY_ARN>

在 AWS IoT 中进行权限设置：

AWS IoT 不能直接使用 IAM Role，需要先在 AWS IoT 服务中为这个 IAM Role 创建别名：

aws iot create-role-alias --role-alias <ROLE_ALIAS> --role-arn <IAM_ROLE_ARN> --credential-duration-seconds 3600

<ROLE_ALIAS>可根据需要自行定义，<IAM_ROLE_ARN> 为之前所创建的 IAM Role 的 ARN。

接下来，需要为 IoT 的证书关联一个 IoT 策略，以允许该证书通过刚刚创建的别名使用 IAM Role。创建策略命令如下：

aws iot create-policy --policy-name <Policy_NAME> --policy-document file:// <Policy_NAME>.json

其中 <Policy_NAME>.json 内容如下：

{
  "Version": "2012-10-17",
  "Statement": {
    "Effect": "Allow",
    "Action": "iot:AssumeRoleWithCertificate",
    "Resource": "<ALIAS_ARN>",
    "Condition": {
      "StringEquals": {
        "iot:Connection.Thing.Attributes[assumeRole]": "S3User",
        "iot:Connection.Thing.ThingTypeName": "AWS"
      },
      "Bool": {
        "iot:Connection.Thing.IsAttached": "true"
      }
    }
  }
}

策略中增加了 Condition 字段，以减少发生用户元数据错填、加错 ThingGroup 时错误的获取了相关权限的情况。

将创建好的 IoT 策略关联给之前创建的 ThingGroup，这样加入到 ThingGroup 中的所有 Thing 都会获得调用 IAM Role 的权限（被调用的 Role 通过 IoT 的角色别名进行了限制）：

aws iot attach-policy --policy-name <POLICY_NAME> --target <THINGGROUP_ARN>

接下来只要将之前创建的 Thing 加入到这个 ThingGroup 中即可：

aws iot add-thing-to-thing-group --thing-name <YOUR_THING_NAME> --thing-group-name <GROUP_NAME>

验证

最终用户在获得 IoT 证书后，可以通过该证书访问 AWS IoT Credentials Provider，通过 Credentials Provider 访问 AWS STS 服务以换取临时 credentials。

首先需要获得自己的 AWS 账号内 IoT Credentials Provider 的 endpoint：

aws iot describe-endpoint --endpoint-type iot:CredentialProvider

返回结果的格式应为：xxxxxxxxx.credentials.iot.cn.<REGION>.amazonaws.com.cn

通过标准的 curl 命令即可访问上述 endpoint，命令中需包含 Thing 证书、Thing 私钥、用于验证 AWS IoT Core 服务器身份的根 CA 证书。根 CA 证书的获取可参考官方文档^[7]。

请求临时 credentials 命令如下：

curl –cert <THING_CERT> --key <THING_PRIVATE_KEY> -H "x-amzn-iot-thingname: <THING_NAME>" –cacert <AWS_ROOT_CA> https://<CREDENTIALS_ENDPOINT>/role-aliases/<ALIAS_NAME>/credentials > temptoken

在 temptoken 文件中可以找到所需的 access key id, secret access key。如安装了 jq 工具，也可通过如下方式设置环境变量：

export AWS_ACCESS_KEY_ID=$(jq -r ".credentials.accessKeyId" temptoken)

export AWS_SECRET_ACCESS_KEY=$(jq -r ".credentials.secretAccessKey" temptoken)

export AWS_SESSION_TOKEN=$(jq -r ".credentials.sessionToken" temptoken)

设置完成后，即可通过 awscli 或 SDK 工具操作 s3 存储桶中的对应目录。

检索

实际应用过程中可能存在大量用户（Thing）的情况，为了快速查找相关用户，可以利用 AWS IoT 提供的检索功能。

激活 Fleet Indexing 功能：

aws iot update-indexing-configuration \

--thing-indexing-configuration thingIndexingMode=REGISTRY_AND_SHADOW

根据需要检索，例如查找 Company 为 AWS、assumeRole 为 S3User 的用户信息（即 Thing 信息）：

aws iot search-index \

--query-string "attributes.Company:AWS AND attributes.assumeRole:S3User"

总结

本文介绍了如何借助 AWS IoT 服务实现用户的授权、认证管理，并以访问 S3 存储桶中的资源为例介绍了如何实现原型系统的搭建。该方案具有如下“三高一低”的特点：

低成本：方案中无需部署实体服务器，没有资源预部署的需求；
高可靠：验证、授权过程均由 AWS 托管服务完成，其可靠性与 AWS 平台的整体可靠性相同；
高安全：用户访问云上资源所需的凭证均为动态凭证，证书本身则没有访问 AWS 云上资源的权限；
高灵活：通过 ThingGroup+变量的方式实现灵活的授权管理，而无需为每个最终用户创建单独的权限策略。

当然，实际应用环境中的需求远比本文介绍的原型更负责，您需要根据自己的实际需求进行调整。必要时可以联系与您接口的 AWS 人员做进一步的讨论。

参考文档

[1] Amazon Cognito Identity Pools (Federated Identities)

[2] What is AWS IoT

[3] Authorizing direct calls to AWS services

[4] Installing, updating, und uninstalling the AWS CLI

[5] AWS CLI Command Reference

[6] IAM roles

[7] CA certificates for server authentication

亚马逊AWS官方博客