mTLS im Service Mesh: Failure Modes, die das NOC beherrschen muss

mTLS im Service Mesh ist für viele Plattformteams ein Sicherheitsgewinn, für das NOC aber oft eine neue Fehlerklasse: Verbindungen sind „da“, DNS funktioniert, Ports sind offen – und trotzdem scheitern Requests mit Reset, 503, 403 oder Timeouts. Der Grund ist simpel: Mit einem Service Mesh wandert ein Teil der Verbindungslogik aus der Applikation in Sidecars, Proxies und Control-Plane-Komponenten. Sobald mTLS (mutual TLS) aktiv ist, hängen Verfügbarkeit und Latenz nicht nur von Routing und Netzwerkpfad ab, sondern auch von Zertifikaten, Identitäten, Trust Bundles, Policies und der Fähigkeit der Sidecars, sichere Sessions aufzubauen und zu erneuern. Genau hier entstehen Failure Modes, die sich wie klassische L3/L4-Probleme anfühlen, aber tatsächlich in L5–L7 und in der Mesh-Steuerung liegen. Dieser Artikel beschreibt die wichtigsten mTLS-Failure-Modes im Service Mesh, die ein NOC beherrschen muss: typische Symptome, schnelle Beweise, sinnvolle Telemetrie und die häufigsten Ursachenketten. Ziel ist ein reproduzierbarer Incident-Workflow, der „Netzwerk“ und „mTLS/Policy“ zuverlässig trennt und Eskalationen verkürzt.

Grundverständnis: Was mTLS im Service Mesh operativ verändert

Bei mTLS authentifizieren sich Client und Server gegenseitig über Zertifikate. Im Service Mesh übernehmen das meist Sidecar-Proxies (z. B. Envoy) oder node-/pod-nahe Komponenten. Die Applikation spricht dann häufig „plain HTTP“ zum Sidecar, während der Sidecar den Traffic zum Zielservice verschlüsselt und authentifiziert. Das führt zu zwei entscheidenden Konsequenzen:

• Identität wird Teil der Verbindung: Nicht nur IP/Port zählen, sondern „wer“ spricht mit „wem“ (Workload Identity).
• Control Plane wird kritisch: Zertifikatsausstellung, Rotation, Policy-Verteilung und Service Discovery müssen funktionieren, sonst kippt Traffic.
• Fehlerbilder verschieben sich: Ein gesundes Underlay kann bestehen, während mTLS-Handshakes oder Autorisierung scheitern.

Die häufigsten Symptome: Wie mTLS-Failure-Modes im Ticket aussehen

mTLS-Probleme tauchen selten als „Zertifikat abgelaufen“ im Frontend auf. Im NOC landen sie eher als generische Verbindungsfehler. Typische Muster sind:

• Plötzliche 503/504 zwischen Services, oft nur in einer Richtung oder nur für bestimmte Workloads.
• „Connection reset by peer“ oder RST-Spikes, obwohl die Ziel-IP erreichbar ist.
• 403/401/RBAC Denied nach einem Policy-Change, häufig nur für Teiltraffic (Canary, neues Namespace, neue Version).
• Nur nach Deployments: neue Pods können nicht sprechen, alte funktionieren (Identity-/Policy-Drift).
• Nur in einem Cluster/Region: Trust Bundle oder Control-Plane-Status unterscheidet sich zwischen Umgebungen.
• Latenzsprünge in p95/p99, insbesondere bei hoher Verbindungsrate (Handshake/Rotation/CPU-Queueing).

Failure Mode 1: Zertifikatsrotation schlägt fehl (Expired/Not Yet Valid)

Zertifikate im Mesh sind meist kurzlebig. Das ist sicherheitstechnisch sinnvoll, aber operativ riskant, wenn Rotation oder Zeitbasis (Clock) nicht stabil ist. Häufige Ursachen sind ein gestörter Zugriff auf die CA/Issuer, ein fehlerhafter Workload-Identity-Flow oder eine Zeitdrift.

• Typisches Symptom: Neue Pods können keine Verbindungen aufbauen; Handshake bricht ab; ältere Pods funktionieren noch kurz.
• Signal: Fehlerraten steigen zeitgleich mit „certificate expiration“ oder „not yet valid“ in Proxy-Logs.
• NOC-Beweis: Vergleich zwischen funktionierendem Pod und neuem Pod: Zertifikatsgültigkeit, Issuer, SAN/URI-Spiffe-ID.

Zeitdrift als versteckter Auslöser

Wenn Nodes oder Container eine abweichende Uhrzeit haben, werden Zertifikate als „abgelaufen“ oder „noch nicht gültig“ bewertet. Das wirkt wie Netzwerk, weil Verbindungen sofort abbrechen. Ein NOC sollte bei mTLS-Incidents daher Uhrzeitsynchronisation (NTP/Chrony) in den Standardchecks haben.

Failure Mode 2: Trust-Bundle-/CA-Drift zwischen Clustern oder Namespaces

Viele Mesh-Umgebungen betreiben mehrere Cluster, mehrere CAs oder unterschiedliche Trust Domains. Wenn ein Teil der Workloads ein anderes Trust Bundle nutzt, kann mTLS nicht validieren. Das passiert z. B. nach CA-Rotation, beim Onboarding neuer Cluster oder bei fehlerhaften Secrets/Configmaps.

• Typisches Symptom: Cross-Cluster-Calls brechen ab, intra-Cluster läuft; oder nur ein Namespace ist betroffen.
• Signal: Proxy meldet „unknown CA“, „unable to verify the first certificate“ oder „x509: certificate signed by unknown authority“.
• NOC-Beweis: Zertifikatskette und Root-CA-Fingerprint vergleichen zwischen Source und Destination.

Failure Mode 3: Policy-Denies (mTLS Strict, PeerAuthentication/Authorization)

In vielen Meshes gibt es Policies, die mTLS erzwingen („STRICT“) und zusätzlich festlegen, welche Identitäten sprechen dürfen (RBAC/Authorization Policies). Fehlerhafte oder zu restriktive Policies sind eine der häufigsten Incident-Ursachen nach Changes.

• Typisches Symptom: 403/401 oder 503 mit „RBAC: access denied“; nur bestimmte Service Accounts/Workloads betroffen.
• Signal: Proxy-Logs zeigen explizite Deny-Reason, während Netzwerkmetriken unauffällig bleiben.
• NOC-Beweis: Gleicher Request von einem anderen Workload funktioniert; Identität (SPIFFE ID/ServiceAccount) unterscheidet sich.

Der Klassiker: „STRICT“ trifft auf non-mTLS-Client

Wenn ein Service mTLS strikt erwartet, aber ein Client ohne Sidecar (oder ein externes System) plain anfragt, wird die Verbindung oft hart beendet oder auf 503 gemappt. Das sieht wie ein L4-Problem aus, ist aber eine mTLS-Policy-Frage.

Failure Mode 4: Sidecar-Bypass und „Partial Mesh“

Viele Organisationen sind in einer Übergangsphase: Ein Teil der Workloads ist im Mesh, ein Teil nicht. Dazu kommen Jobs, CronPods, Legacy-Services oder DaemonSets, die ohne Sidecar laufen. In solchen Hybridzuständen entstehen asymmetrische Fehlerbilder.

• Typisches Symptom: Service A → B geht, B → A geht nicht; oder nur CronJobs schlagen fehl.
• Signal: Betroffene Pods haben keinen Sidecar oder verwenden andere Egress-Routen.
• NOC-Beweis: Pod-Template prüfen: Sidecar-Injection aktiv? mTLS-Modus am Zielservice?

Failure Mode 5: SNI/ALPN/Protocol-Mismatch am Mesh-Gateway

Ingress/Egress-Gateways terminieren häufig TLS, sprechen danach erneut mTLS ins Mesh oder routen nach Host/SNI. Wenn SNI/ALPN nicht zum erwarteten Protokoll passt, entstehen Handshake-Fails, die wie „Gateway down“ wirken.

• Typisches Symptom: Nur eine Domain/Route schlägt fehl, andere funktionieren; gleiche IP/Port.
• Signal: TLS-Alerts, „handshake failure“, „no application protocol“ (ALPN) in Gateway-Logs.
• NOC-Beweis: Vergleich: SNI/Host, Gateway-Routenregeln, Zertifikatszuordnung.

Failure Mode 6: Envoy-/Proxy-Resource-Exhaustion (CPU, Memory, File Descriptors)

mTLS erhöht die CPU-Kosten pro Verbindung (Handshake, Krypto, Zertifikatsprüfung). Bei hoher Verbindungsrate oder ungünstigem Connection-Reuse kann der Sidecar in Resource-Exhaustion laufen. Dann entstehen Timeouts, RSTs und Retries – ein Muster, das schnell als Netzwerküberlast interpretiert wird.

• Typisches Symptom: p99 steigt, Fehler kommen in Bursts; gleichzeitig CPU/Memory im Sidecar hoch.
• Signal: Erhöhte Anzahl neuer Verbindungen pro Sekunde; sinkende Reuse-Rate; Proxy-Log meldet „upstream connect error“.
• NOC-Beweis: Sidecar-Metriken (CPU, FD, Envoy stats) korrelieren zeitlich mit Fehlern.

Handshake-Churn als Messgröße

Operativ sinnvoll ist eine Kennzahl, die zeigt, wie viele neue TLS-Handshakes im Verhältnis zu Requests stattfinden. Hoher Churn ist ein Frühindikator für Overhead und Instabilität.

$\mathrm{Handshake\_Churn}=\frac{\mathrm{New\_mTLS\_Handshakes}}{\mathrm{Total\_Requests}}$

Wenn dieser Wert nach einem Change steigt, ist „Netzwerk“ selten die Ursache; meist wurden Keepalive/Poolings/Timeouts verändert oder Sidecars neu gestartet, ohne dass Connection-Reuse stabil ist.

Failure Mode 7: Control-Plane-/xDS-Propagation-Probleme (Stale Config)

Service Meshes verteilen Konfiguration an Proxies (z. B. via xDS). Wenn die Control Plane unter Last ist, Verbindungen instabil sind oder Updates verzögert ankommen, laufen Proxies mit veralteter Policy oder Routen. Das kann zu „nur einige Pods betroffen“ führen.

• Typisches Symptom: Nur ein Teil der Pods routet falsch oder denyt; Rolling Restart „heilt“ kurzfristig.
• Signal: Unterschiedliche Config-Versionen/Listeners/Clusters zwischen Proxies; Control-Plane-Metriken zeigen Backpressure.
• NOC-Beweis: Proxy-Config-Diff (Version/Listener) zwischen gesundem und defektem Pod.

Failure Mode 8: Identity-Mapping-/ServiceAccount-Drift nach Deployments

Wenn Identität im Mesh an ServiceAccounts, Namespaces oder Labels gekoppelt ist, können Deployments unabsichtlich eine neue Identität erzeugen. Die Verbindung scheitert dann nicht „weil Netzwerk“, sondern weil Policies die neue Identität nicht erlauben.

• Typisches Symptom: Nur neue Versionen (v2) schlagen fehl; Rollback auf v1 funktioniert.
• Signal: Deny-Logs referenzieren eine neue SPIFFE-ID oder einen anderen Principal.
• NOC-Beweis: ServiceAccount/Workload Identity vergleichen; Policy-Selector prüfen.

Failure Mode 9: Egress-Policy und externe Abhängigkeiten (mTLS nach außen)

Viele Meshes kontrollieren Egress über Gateways. Wenn Egress-Policies zu restriktiv sind oder TLS-Inspection/Proxy-Ketten kollidieren, erscheinen externe Calls als Netzwerkproblem. In Wirklichkeit blockt das Mesh oder es entstehen TLS-Mismatches.

• Typisches Symptom: Nur Calls zu bestimmten externen Hosts scheitern; DNS ok; TCP connect evtl. ok, aber TLS failt.
• Signal: „blocked by policy“, „no route configured“, TLS-Alert beim Egress-Gateway.
• NOC-Beweis: Egress-Gateway-Logs + Policy-Match; Vergleich mit einem Pod außerhalb des Mesh (wenn vorhanden).

Incident-Triage-Checkliste fürs NOC: Schnell, beweisbar, eskalationsfähig

Die folgende Checkliste ist darauf ausgelegt, in wenigen Minuten eine belastbare Richtung zu geben, ohne tief in Applikationscode einzusteigen. Sie funktioniert besonders gut, wenn Sie immer einen „funktionierenden“ und einen „fehlernden“ Pfad vergleichen.

• Scope klären: Nur ein Service? Nur ein Namespace? Nur neue Pods? Nur Cross-Cluster?
• Fehlerart trennen: 4xx (Policy/Auth) vs. 5xx (Upstream) vs. harte Abbrüche (RST/Timeout).
• mTLS-Indikatoren sammeln: Proxy-Logs auf „unknown CA“, „expired“, „RBAC denied“, „handshake failure“ prüfen.
• Identity vergleichen: ServiceAccount/SPIFFE-ID zwischen funktionierendem und defektem Workload.
• Zertifikatstatus prüfen: Gültigkeit, Issuer, Trust Bundle, Rotation-Zeitpunkte.
• Sidecar-Ressourcen prüfen: CPU/Memory/FD, neue Verbindungen, Reuse-Rate, Retries.
• Control-Plane-Hinweise: Config-Versionen, xDS-Errors, Backpressure, Propagation-Delay.

Monitoring und Alerting: Was Sie messen sollten, damit mTLS nicht „unsichtbar“ bleibt

mTLS-Probleme sind oft nicht in klassischen Netzwerkmetriken sichtbar. Ein NOC braucht daher Mesh-spezifische KPIs, die trotzdem operativ interpretierbar sind.

• Handshake-Failures nach Reason: expired, unknown_ca, policy_denied, protocol_mismatch.
• Zertifikatsrotation: Erfolgsrate, Zeit bis Rotation, Anzahl Workloads mit bald ablaufenden Zertifikaten.
• Authorization Denies: Rate und Top-Quellen/Ziele (Principals).
• Connection Churn: neue Verbindungen vs. Requests, Keepalive-Qualität.
• Control-Plane Health: xDS-push-Latenz, Error-Rate, Queueing/Backpressure.

Outbound-Links für vertiefende Referenzen

• Istio Security Concepts (mTLS, Policies, Identities) für das Zusammenspiel aus mTLS, Authn/Authz und Control Plane.
• Linkerd Architecture Reference als kompaktes Modell, wie Proxy, Identity und mTLS in einem Mesh funktionieren.
• SPIFFE Overview für Workload-Identitäten und die Idee hinter SPIFFE IDs.
• SPIRE Overview für praktische Implementierung und Rotation/Attestation in dynamischen Umgebungen.
• Envoy TLS/SSL Architecture Overview für typische TLS-Fehlerbilder und Konfigurationsprinzipien.
• TLS 1.3 Spezifikation (RFC 8446) für Handshake-Grundlagen, Alerts und Resumption.

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