34、AWS高性能与安全架构全解析

AWS高性能与安全架构全解析

1. 高性能架构概述

在AWS环境中，构建高性能架构至关重要。可以通过选择合适的EC2实例类型和使用自动扩展（Auto Scaling）来管理EC2实例的性能和可用性。有时候，无服务器（如Lambda）或容器（如Docker/ECS）模型能更有效地处理计算工作负载。

1.1 EC2实例管理

• 实例类型选择 ：不同的EC2实例类型服务于不同的功能，了解用于衡量每种类型性能的参数，如ECUs（EC2计算单元）、vCPUs（虚拟CPU）等，有助于选择合适的实例类型。
• 自动扩展 ：自动扩展是AWS为EC2管理资源调配和启动的有效方式，能根据需求增长自动启动新资源，需求下降时关闭未使用的资源。成功的自动扩展通常需要以下必要组件：
  • 启动配置：定义自动扩展操作要部署的AMI。
  • 负载均衡器：将传入请求智能分配到可用的后端资源。
  • 自定义EC2 AMI：可根据具体需求定制。

1.2 存储优化

• EBS卷 ：通过配置RAID阵列，可以增强对基于EBS卷的数据的访问和数据可靠性。RAID优化的EBS卷配置可在EC2实例操作系统内完成。
• S3存储 ：跨区域复制和S3传输加速可改善S3数据管理。CloudFront和S3传输加速工具能提供低延迟访问和弹性，其中S3传输加速利用CloudFront边缘位置加速数据传输。

1.3 数据库性能优化

对于RDS数据库，仔细配置模式、索引、视图、选项组和参数组等细节可提高性能。对于手动托管的数据库，可通过卷类型（磁碟与SSD）和IOPS级别解决延迟问题，通过复制提高耐用性，并手动配置可扩展性。选择合适的数据库平台也很重要，如托管RDS、在EC2实例上构建数据库、选择Redshift或第三方集成进行数据仓库管理。

1.4 负载均衡器

负载均衡器（应用、网络或网关）监听传入请求，并将其智能分配到多个后端服务器，实现可扩展和可靠的应用交付。不同类型的负载均衡器适用于不同的应用场景，例如网络负载均衡器针对基于TCP的应用进行了优化，并保留源IP地址。

1.5 基础设施自动化

使用AWS原生工具（如CloudFormation）或第三方基础设施自动化工具（如通过AWS OpsWorks集成的Chef和Puppet）脚本化资源调配，可轻松快速启动复杂的资源栈，维护多个按需环境用于测试、预生产和生产。

1.6 资源监控

使用CloudWatch、CloudTrail和AWS Config监控资源的状态和性能。将负载测试和报告可视化（通过CloudWatch仪表板）纳入管理周期很重要。重要的资源监控协议元素包括CloudWatch仪表板和SNS警报。

1.7 性能提升技术

• 缓存 ：ElastiCache和CloudFront可复制和存储数据，使其快速可供消费客户端使用。ElastiCache可使用Memcached或Redis，需根据具体工作负载选择合适的缓存引擎。
• 分区（分片） ：通过分区可提高数据处理性能。
• 压缩 ：可更快地传输大型数据存储。

2. 高性能架构相关问题解答

以下是一些关于高性能架构的常见问题及解答：
|问题|答案|
|----|----|
|描述特定EC2实例类型性能的参数有哪些（选三个）？|A. ECUs（EC2计算单元）、B. vCPUs（虚拟CPUs）、D. Intel AES - NI|
|随着基于EC2的应用程序受欢迎程度增加，成功自动扩展通常需要的组件有哪些（选三个）？|A. 启动配置、B. 负载均衡器、C. 自定义EC2 AMI|
|启动配置在自动扩展中的作用是什么？|B. 定义自动扩展操作要部署的AMI|
|构建新的电子商务应用采用微服务架构，哪个平台最合适？|A. 弹性容器服务|
|EC2部署中，RAID优化的EBS卷配置在哪里进行？|D. 从EC2实例操作系统内|
|哪个工具能为基于S3的数据提供低延迟访问和弹性？|A. CloudFront|
|哪个工具使用CloudFront边缘位置加速数据传输？|A. 亚马逊S3传输加速|
|多层级应用数据读写变慢，管理RDS数据库时哪个不是主要设计考虑因素？|B. 优化可扩展性|
|在EC2实例上托管关系数据库相对于使用RDS服务的可能优势有哪些（选两个）？|D. 成本节约、E. 更大的主机控制权|
|基于EC2的图形处理应用性能变慢，哪些方法可能有帮助（选两个）？|B. 切换到支持增强图形的EC2实例、D. 增加自动扩展组的实例限制|
|哪种负载均衡器针对基于TCP的应用进行了优化并保留源IP地址？|C. 网络负载均衡器|
|可用于配置CloudFormation模板的方式有哪些（选三个）？|A. CloudFormation拖放界面、B. 选择预建示例模板、D. 创建自己的JSON模板文档|
|CloudFormation配置中哪个不是必要组件？|A. 默认节点名称|
|可通过AWS OpsWorks集成到AWS工作流中的有哪些（选两个）？|B. Chef、E. Puppet|
|成功的资源监控协议的重要元素有哪些（选两个）？|A. CloudWatch仪表板、C. SNS警报|
|哪些能增强资源生成的CloudWatch数据的价值（选两个）？|A. 预定义性能基线、B. 预定义关键性能指标（KPIs）|
|可用于审计账户和资源配置更改的工具是哪个？|A. AWS CloudTrail|
|可与Amazon ElastiCache集成的缓存引擎有哪些（选两个）？|B. Redis、C. Memcached|
|哪些用例适合使用Redis和ElastiCache进行缓存（选两个）？|A. 在线应用需要保存用户会话状态并比较所有活跃用户的行为、B. 在线应用需要最快的操作|
|哪个数据库引擎不是Amazon RDS中读取副本的候选者？|B. DynamoDB|
|使用CloudFormation调配多个相关资源栈时，应按哪些方式组织资源到不同栈（选两个）？|A. 成本、C. 生命周期|
|哪些资源属性适合在CloudFormation模板中定义为参数（选两个）？|A. AMI ID、B. EC2密钥对名称|
|使用嵌套栈创建EC2自动扩展组和支持的VPC基础设施，创建自动扩展组的模板必须添加什么？|C. 类型为AWS::CloudFormation::Stack的资源|
|要更新应用了栈策略的栈，在更新前如何验证CloudFormation将更改的特定资源？|A. 创建更改集|

3. 安全架构概述

信息安全的主要目标是保护数据，这需要确保数据的保密性、完整性和可用性（CIA）。在AWS中，需要对涉及数据的每个系统（存储、计算和网络）应用安全控制。

3.1 身份和访问管理基础

AWS安全始于身份管理，由身份和访问管理（IAM）服务负责。保护AWS凭证至关重要，防止意外暴露和未经授权的使用。用户应仅拥有所需的权限，遵循最小权限原则。

3.2 保护AWS凭证

能与AWS资源交互的实体称为主体，包括根用户、IAM用户和IAM角色。
- 根用户 ：具有对AWS账户的无限制访问权限，应避免用于日常管理任务。最佳实践是创建一个IAM用户并附加AdministratorAccess AWS托管策略。同时，启用多因素身份验证（MFA）可增强根用户的安全性，但需注意丢失MFA设备会导致无法登录根用户账户，此时需联系AWS支持恢复访问。
- IAM用户 ：可选择实施密码策略，确保具有AWS管理控制台访问权限的IAM用户拥有安全的密码。密码策略可包括密码复杂性要求、密码过期、防止密码重用和要求管理员重置过期密码等。创建IAM用户时，可选择授予AWS管理控制台访问权限、编程访问权限或两者兼有。控制台访问需要用户名和密码，可选择分配MFA令牌；编程访问需要访问密钥ID和秘密访问密钥。

3.3 细粒度授权

IAM策略用于实现对IAM主体的严格控制。IAM主体默认没有权限，其权限仅来自于关联的IAM策略。一个IAM策略包含一个或多个权限语句，每个权限语句至少由以下四个元素组成：
- 效果（Effect） ：可以是允许或拒绝，控制是否允许对资源执行操作。
- 操作/操作（Action/Operation） ：每个AWS服务都有一组可对其资源执行的操作，例如EC2服务的RunInstances操作可创建新实例。
- 资源（Resource） ：操作可能需要指定一个或多个资源，如EC2的RunInstances操作需要Amazon Machine Image（AMI）ID。通过在权限语句中指定资源，可按资源限制访问。
- 条件（Condition） ：可指定必须满足的条件才能授予权限，例如仅允许特定IP地址的用户执行指定操作，或要求多因素身份验证，或对操作执行时间施加基于时间的限制。

3.4 策略类型

• AWS托管策略 ：AWS提供数百个预打包的策略，涵盖常见工作角色通常所需的各种权限，如网络管理员、数据库管理员（DBA）和安全审计员。AWS会定期更新这些策略以包含新服务。
• 客户管理策略 ：用户可创建独立的策略并附加到AWS账户中的主体。更新客户管理策略时，更改会立即应用到所有关联的主体。IAM不会覆盖现有策略，而是创建新版本并保留最后五个版本，以便必要时恢复。

4. 安全架构相关流程

以下是保护AWS凭证和配置IAM策略的流程：

保护AWS凭证流程

graph LR
    A[创建IAM用户] --> B[附加AdministratorAccess策略]
    B --> C[启用根用户MFA]
    C --> D[为IAM用户设置密码策略]
    D --> E[选择IAM用户访问类型]

IAM策略配置流程

graph LR
    A[创建IAM策略] --> B[定义权限语句]
    B --> C{效果}
    B --> D{操作}
    B --> E{资源}
    B --> F{条件}
    C --> G[允许/拒绝]
    D --> H[指定服务操作]
    E --> I[指定资源]
    F --> J[设置条件]
    G --> K[关联策略到主体]
    H --> K
    I --> K
    J --> K

通过遵循这些高性能和安全架构的原则和方法，可以构建出高效、可靠且安全的AWS应用环境。

5. 安全架构的实际应用场景

5.1 企业级数据存储安全

在企业级应用中，数据存储的安全至关重要。以一个大型企业的数据仓库为例，该企业使用 Amazon S3 存储大量的业务数据。为了确保数据的保密性、完整性和可用性，采取了以下安全措施：
- 保密性 ：
- 使用客户管理的 IAM 策略，限制只有特定部门的员工可以访问 S3 存储桶。例如，定义一个策略，只允许销售部门的 IAM 用户对销售数据存储桶进行读写操作。
- 对存储在 S3 中的数据进行加密，使用 AWS KMS（Key Management Service）管理加密密钥，确保数据在传输和存储过程中都是加密的。
- 完整性 ：
- 利用 S3 的版本控制功能，对数据的每次更改都进行记录，防止数据被意外或恶意修改。
- 定期对存储的数据进行哈希验证，确保数据的完整性。
- 可用性 ：
- 配置 S3 的跨区域复制功能，将数据复制到多个区域，以防止因某个区域的故障导致数据不可用。
- 使用 S3 传输加速功能，确保数据能够快速地被访问和传输。

5.2 云计算环境下的应用安全

对于基于云计算的应用程序，如一个在线电商平台，需要确保应用的安全性。该平台使用 EC2 实例运行应用程序，使用 RDS 数据库存储用户信息和订单数据。为了保障应用的安全，采取了以下措施：
- 身份和访问管理 ：
- 创建不同的 IAM 用户和角色，分别用于开发、测试和生产环境。例如，开发人员只能访问开发环境的资源，而生产环境的资源只有运维人员可以访问。
- 为每个 IAM 用户和角色分配最小权限，遵循最小权限原则。例如，开发人员只能对开发环境的 EC2 实例进行启动、停止和修改配置等操作。
- 网络安全 ：
- 使用安全组和网络访问控制列表（NACL）来限制对 EC2 实例和 RDS 数据库的网络访问。例如，只允许特定 IP 地址的客户端访问数据库。
- 部署 AWS WAF（Web Application Firewall）来保护应用程序免受常见的 Web 攻击，如 SQL 注入和跨站脚本攻击。
- 数据安全 ：
- 对存储在 RDS 数据库中的用户信息和订单数据进行加密，使用 AWS KMS 管理加密密钥。
- 定期对数据库进行备份，并将备份数据存储在 S3 中，以防止数据丢失。

6. 安全架构的监控与审计

6.1 监控工具的使用

为了确保安全架构的有效性，需要对 AWS 资源进行实时监控。AWS 提供了多种监控工具，如 CloudWatch、CloudTrail 和 AWS Config。
- CloudWatch ：用于监控 AWS 资源的性能和状态。可以创建自定义的指标和警报，当资源的性能指标超过预设的阈值时，及时通知管理员。例如，监控 EC2 实例的 CPU 使用率，如果 CPU 使用率超过 80%，则触发警报。
- CloudTrail ：用于记录 AWS 账户中发生的所有 API 调用。通过分析 CloudTrail 的日志，可以发现潜在的安全问题，如未经授权的访问和异常的操作。例如，如果发现有一个 IAM 用户在非工作时间进行了敏感资源的操作，就需要进一步调查。
- AWS Config ：用于评估、审计和记录 AWS 资源的配置。可以创建规则来检查资源的配置是否符合安全最佳实践。例如，检查 S3 存储桶是否启用了公共访问限制。

6.2 审计流程

定期进行安全审计是确保安全架构持续有效的重要手段。以下是一个简单的审计流程：
|步骤|描述|
|----|----|
|1. 定义审计范围|确定需要审计的 AWS 资源和服务，如 EC2 实例、S3 存储桶、RDS 数据库等。|
|2. 收集数据|使用 CloudTrail、AWS Config 等工具收集相关的日志和配置信息。|
|3. 分析数据|对收集到的数据进行分析，查找潜在的安全问题和违规行为。|
|4. 生成报告|根据分析结果生成审计报告，列出发现的问题和建议的解决方案。|
|5. 整改措施|根据审计报告，采取相应的整改措施，修复发现的问题。|
|6. 复查和验证|在整改完成后，进行复查和验证，确保问题得到彻底解决。|

7. 总结与建议

7.1 总结

通过对 AWS 高性能和安全架构的深入探讨，我们了解到在构建 AWS 应用环境时，需要从多个方面考虑性能和安全问题。在高性能架构方面，合理选择 EC2 实例类型、使用自动扩展、优化存储和数据库性能、使用负载均衡器和基础设施自动化工具等都可以提高应用的性能和可扩展性。在安全架构方面，保护 AWS 凭证、实施细粒度授权、使用不同类型的 IAM 策略以及对资源进行监控和审计等措施可以确保数据的保密性、完整性和可用性。

7.2 建议

• 持续学习和更新知识 ：AWS 服务不断更新和发展，新的安全威胁也不断出现。因此，需要持续学习和了解最新的 AWS 技术和安全最佳实践，及时调整架构和安全策略。
• 定期进行安全评估和演练 ：定期对安全架构进行评估和演练，发现潜在的安全问题并及时解决。可以模拟各种安全攻击场景，测试系统的应对能力。
• 建立应急响应机制 ：制定完善的应急响应计划，当发生安全事件时，能够迅速采取措施，减少损失。同时，定期对应急响应计划进行演练，确保相关人员熟悉应急处理流程。

通过遵循这些建议，可以构建一个更加高效、安全和可靠的 AWS 应用环境。