ZooKeeper安全认证机制

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ZooKeeper安全认证机制：ZNode ACL

ZooKeeper的Client-Server互认证机制是从3.4.0版本开始引入的，本文主要介绍znodes的ACL的定义，任务服务接口定义与几种已有的认证服务实现，以及ACL与多种认证服务是如何建立联系的。本文内容基于ZooKeeper 3.5.1版本。

 

ACL

ZooKeeper的ACL可针对znodes设置相应的权限信息。ACL数据的表示格式为：schema​:id:​permissions

• schema     支持的几种schema为：
  • world

  只有一个名为anyone的Id, world:anyone代表任何人，也就是说，对应节点任何人可访问

  • auth

  代表任何通过认证的用户，该schema不需要配置Id信息

  • digest

  基于username:password生成的MD5 Hash值作为Id信息，认证基于username:password明文认证，但在acl中存储的是username:base64(password)

  • ip

  基于IP地址作为Id，支持IP地址或IP地址段

• id    代表用户
• permissions    权限定义为(READ, WRITE, CREATE, DELETE, ADMIN, ALL)

由ACL的定义信息，可以看出来，ZooKeeper可以针对不同的znodes来提供不同的认证机制。

AuthenticationProvider

每一种认证服务均需要实现AuthenticationProvider接口来支持一种新的schema，所有的AuthenticationProvider实现类都被注册在ProviderRegistry中。ZooKeeper中已经提供的AuthenticationProvider`的实现类：

每一个AuthenticationProvider实现类所关联的schema如下所示：

 

AuthenticationProvider实现类 schema

DigestAuthenticationProvider	digest
IPAuthenticationProvider	ip
SASLAuthenticationProvider	sasl
X509AuthenticationProvider	x509

当znode acl schema为world时，是不需要经任何AuthenticationProvider进行认证的，因此不需要任何实现类。
当znode acl schema为auth时，代表着需要对请求上下文中的认证信息进行校验，在ServerCnxn的authInfo中保存了所有的已认证成功的Id以及认证服务所关联的的schema，由该schema再去ProviderRegistry中查找所关联的AuthenticationProvider实现类来对认证信息进行校验。
除了上述已有的实现者以外，用户还可以自定义实现AuthenticationProvider。自定义的实现类，需要设置到System Properties中，对应的Property Key需以"zookeeper.authProvider."开头。另外，自定义的AuthenticationProvider的schema名称不应与现有的重名，否则会覆盖现有的实现。

Reference

1. Client-Server Mutual Authentication
2. ZOOKEEPER-938

ZooKeeper安全认证机制：用户名密码认证

 

ZooKeeper提供了简单的基于用户名和密码的认证机制，即DIGEST-MD5认证机制。本文首先介绍使用该认证机制所涉及的一些配置细节，接下来介绍ZooKeeper内部关于DIGEST-MD5认证机制的一些实现细节。

 

如何使用

Client

系统属性配置：

 

// "zookeeper.sasl.clientconfig"如果不设置，默认值为"Client"
System.setProperty("zookeeper.sasl.clientconfig",   "Client");
System.setProperty("zookeeper.sasl.client",   "true");

自定义一个JaasConf对象，继承自javax.security.auth.login.Configuration，目的是为了便于Configuration所需参数的配置：

 

public class JaasConf extends Configuration {
  private Map sections =
          new HashMap();
​
  public void addSection(String name, String loginModuleName, String... args) {
    Map options = new HashMap();
    for (int i = 0; i < args.length; i += 2) {
      options.put(args[i], args[i + 1]);
    }
​
    AppConfigurationEntry[] entries = new AppConfigurationEntry[]{
            new AppConfigurationEntry(loginModuleName,
                    AppConfigurationEntry.LoginModuleControlFlag.REQUIRED, options)};
    this.sections.put(name, entries);
  }
​
  @Override
  public AppConfigurationEntry[] getAppConfigurationEntry(String name) {
    return this.sections.get(name);
  }
}

实例化JaasConf，设置LoginModuleName以及对应的username/password等信息：

 

JaasConf conf = new JaasConf();
// Section Name: "Client", 这里的名称与系统属性"zookeeper.sasl.clientconfig"保持一致
// LoginModule Name: "org.apache.zookeeper.server.auth.DigestLoginModule"
// Options:  
//       "username": "nosql"
//       "password": "nosql123"
conf.addSection("Client", "org.apache.zookeeper.server.auth.DigestLoginModule",
            "username", "nosql", "password", "nosql123");
Configuration.setConfiguration(conf);

Server

系统属性配置：

 

System.setProperty("zookeeper.sasl.serverconfig", "Server");
System.setProperty("zookeeper.authProvider.sasl", 
                   "org.apache.zookeeper.server.auth.SASLAuthenticationProvider");

实例化JaasConf，并在Server端配置所有允许访问的username/password信息：

 

JaasConf conf = new JaasConf();
// LoginModuleName: "org.apache.zookeeper.server.auth.DigestLoginModule"
// Options:  
//       "user_nosql: nosql123"
conf.addSection("Server", "org.apache.zookeeper.server.auth.DigestLoginModule",
            "user_nosql", "nosql123");
Configuration.setConfiguration(conf);

可以看到，Client端与Server端配置username/password的参数名称是不同的：

• Client 用户名通过静态参数”username“指定，密码通过静态参数”password“指定
• Server 用户名直接配置在一个以”user_“开头的动态参数名中，参数值直接为对应的password

Client通过这种模式只能配置一个username/password，而Server端的动态参数则允许配置多个Client的username/password。原因在于，Client只需要配置一个username/password即可，而Server端则允许配置多个Client的username/password。

实现原理

整体思路

• Server端在初始化ServerCnxnFactory时，加载预先配置的允许访问的一个或多个username/password列表，并执行Login操作
• Client基于配置的username/password以及DigestLoginModule，执行Login操作
• Client请求与Server端建立Sasl连接，建立连接过程中，通过com.sun.security.sasl.digest.FactoryImpl提供的认证机制，完成对username/password的合法校验

Client初始化

ZooKeeperSaslClient初始化时：

 

if (login == null) {
  if (LOG.isDebugEnabled()) {
    LOG.debug("JAAS loginContext is: " + loginContext);
  }
  // 初始化Login对象，Login对象是static类型的，也就说，该对象在进程级别内
  // 是共享的. Login对象利用Java JAAS机制执行login操作，具体的Login机制由
  // 配置的LoginContext来实现.
  login = new Login(loginContext, new ClientCallbackHandler(null));
  login.startThreadIfNeeded();
}
Subject subject = login.getSubject();
SaslClient saslClient;
// ZooKeeper支持的认证主要是GSSAPI(Kerberos)以及DIGEST-MD5. 如果基于GSSAPI,
// 认证成功后会在Subject中添加对应的Principal信息. 如果Subject中的Principal
// 信息为空，则认为要使用DIGEST-MD5认证(注: 这种设计并不太好)
if (subject.getPrincipals().isEmpty()) {
  // no principals: must not be GSSAPI: use DIGEST-MD5 mechanism instead.
  LOG.info("Client will use DIGEST-MD5 as SASL mechanism.");
  String[] mechs = {"DIGEST-MD5"};
  // 从subject中获取username与password信息
  String username = (String)(subject.getPublicCredentials().toArray()[0]);
  String password = (String)(subject.getPrivateCredentials().toArray()[0]);
  // 初始化SaslClient时，将username传入，password在ClientCallbackHandler中.
  // "zk-sasl-md5" is a hard-wired 'domain' parameter shared with
  // zookeeper server code (see ServerCnxnFactory.java)
  saslClient = Sasl.createSaslClient(mechs, username, "zookeeper", 
              "zk-sasl-md5", null, new ClientCallbackHandler(password));
  return saslClient;
}

关于如上源码的更多备注信息：

1. Login阶段，已经配置了LoginModule为org.apache.zookeeper.server.auth.DigestLoginModule
2. DigestLoginModule中在初始化时已经将Client配置的username和password信息加载到subject中：

   public void initialize(Subject subject, CallbackHandler callbackHandler, 
                          Map sharedState, Map options) {
        if (options.containsKey("username")) {
          // Zookeeper client: get username and password from JAAS conf 
          // (only used if using DIGEST-MD5).
          this.subject = subject;
          String username = (String)options.get("username");
          this.subject.getPublicCredentials().add((Object)username);
          String password = (String)options.get("password");
          this.subject.getPrivateCredentials().add((Object)password);
        }
        return;
   }

3. Sasl.createSaslClient的流程：

 

String mechFilter = "SaslClientFactory." + mechName;
Provider[] provs = Security.getProviders(mechFilter);
for (int j = 0; provs != null && j < provs.length; j++) {
  className = provs[j].getProperty(mechFilter);
  if (className == null) {
    // Case is ignored
    continue;
  }
​
  fac = (SaslClientFactory) loadFactory(provs[j], className);
  if (fac != null) {
    mech = fac.createSaslClient(
      new String[]{mechanisms[i]}, authorizationId,
      protocol, serverName, props, cbh);
    if (mech != null) {
      return mech;
    }
  }
}

“SaslClientFactory.DEGIEST-MD5″所关联的SaslClientFactory实现为：

 

com.sun.security.sasl.digest.FactoryImpl

所有的SaslClientFactory的实现信息都被注册在java.security.Security中。

Security与ProviderRegistry:

java.security.Security: Java Security框架中的定义，用来注册SaslClientFactory. 每一个SaslClientFactory都关联着一个Name.

org.apache.zookeeper.server.auth.ProviderRegistry: ZooKeeper中自定义的用来注册所有的AuthenticationProvider的类，每一个AuthenticationProvider关联一个schema

Server端初始化

ServerCnxnFactory#configureSaslLogin中的一些关键源码：

 

String serverSection = System.getProperty("zookeeper.sasl.serverconfig", "Server");
​
// Note that 'Configuration' here refers to javax.security.auth.login.Configuration.
AppConfigurationEntry entries[] = null;
SecurityException securityException = null;
try {
  entries = Configuration.getConfiguration().getAppConfigurationEntry(serverSection);
} catch (SecurityException e) {
  // handle below: might be harmless if the user doesn't intend to use JAAS authentication.
  securityException = e;
}
// ...中间略去一下非关键源码....
try {
  // 初始化SaslServerCallbackHandler
  saslServerCallbackHandler = new SaslServerCallbackHandler(Configuration.getConfiguration());
  // 初始化Login对象，利用配置的LoginModule执行login操作.
  login = new Login(serverSection, saslServerCallbackHandler);
  login.startThreadIfNeeded();
} catch (LoginException e) {
  // ....
}
​

SaslServerCallbackHandler初始化过程中，加载配置的一个或多个username/password信息：

 

public SaslServerCallbackHandler(Configuration configuration) throws IOException {
  String serverSection = System.getProperty("zookeeper.sasl.serverconfig",
                                            "Server");            
  AppConfigurationEntry configurationEntries[] = 
    configuration.getAppConfigurationEntry(serverSection);
​
  if (configurationEntries == null) {
    String errorMessage = "Could not find a 'Server' entry in" +
      " this configuration: Server cannot start.";
    LOG.error(errorMessage);
    throw new IOException(errorMessage);
  }
  credentials.clear();
  for(AppConfigurationEntry entry: configurationEntries) {
    Map options = entry.getOptions();
    // 所有的用户名都被配置在以"user_"为前缀的属性名中
    for(Map.Entry pair : options.entrySet()) {
      String key = pair.getKey();
      if (key.startsWith(USER_PREFIX)) {
        String userName = key.substring(USER_PREFIX.length());
        credentials.put(userName,(String)pair.getValue());
      }
    }
  }
}

总结

该机制虽然实现了基于用户名和密码的简单认证机制，但所有的用户名和密码信息都是静态配置的，无法支持用户的动态增加，这是该方案的最大软肋。

 

 

ZooKeeper安全认证机制：SSL

本文探讨ZooKeeper的SSL安全机制。默认情形下，ZooKeeper的网络通信是没有加密的，但ZooKeeper提供了SSL特性，目前仅应用在Client与Server端之间的交互(Server与Server之间的交互尚不支持)，且RPC通信协议基于Netty时(ZooKeeper内置的NIO实现中不支持)。

SSL简介

SSL全称为Secure Socket Layer，它是一种介于传输层和应用层的协议，它通过”握手协议”和“传输协议”来解决信息传输的安全问题，它可以被建立在任何可靠的传输层协议之上(例如TCP，但不能是UDP)。SSL协议主要提供如下三方面的能力：

• 信息的加密传播
• 校验机制，数据一旦被篡改，通信双方均会立刻发现
• 身份证书，防止身份被冒充

SSL的基本设计思想：

1. Client向Server端索要”公钥“
2. Client对获取的”公钥“进行校验
3. 双方协商生成“会话密钥”
4. 双方基于”会话密钥“进行信息交换

前3步称之为”握手阶段”，”握手阶段”采用”非对称加密“算法。
第4步称之为”传输阶段”，基于”对称加密“算法，”对称加密”算法的性能是远高于”非对称加密”算法的，因此，更适用于大数据量的传输加密。

如何使用

Client端配置

ZooKeeper Client通过配置如下系统属性来启用基于Netty的RPC通信层:

zookeeper.clientCnxnSocket=”org.apache.zookeeper.ClientCnxnSocketNetty”

Client需要设置如下参数来启用安全通信：

zookeeper.client.secure=true

设置了zookeeper.client.secure属性为true以后，意味着Client与Server之间只能通过"secureClientPort"所指定的端口进行交互。
最后，需要配置KeyStore与TrustStore的相关系统属性：

zookeeper.ssl.keyStore.location=”/path/to/your/keystore”
zookeeper.ssl.keyStore.password=”keystore_password”
zookeeper.ssl.trustStore.location=”/path/to/your/truststore”
zookeeper.ssl.trustStore.password=”truststore_password”

Server端配置

ZooKeeper Server通过配置如下系统属性来启用Netty:

zookeeper.serverCnxnFactory=”org.apache.zookeeper.server.NettyServerCnxnFactory”

在”zoo.cfg”中配置”secureClientPort”端口值，该端口值与原来的”clientPort”端口值应该区别开：

secureClientPort=2281

最后也需要设置KeyStore与TrustStore的配置，与Client端配置类似。

配置示例

“bin/zkServer.sh”的配置示例如下:

export SERVER_JVMFLAGS=”
-Dzookeeper.serverCnxnFactory=org.apache.zookeeper.server.NettyServerCnxnFactory
-Dzookeeper.ssl.keyStore.location=/root/zookeeper/ssl/testKeyStore.jks
-Dzookeeper.ssl.keyStore.password=testpass
-Dzookeeper.ssl.trustStore.location=/root/zookeeper/ssl/testTrustStore.jks
-Dzookeeper.ssl.trustStore.password=testpass”

在 “zoo.cfg”中增加：

secureClientPort=2281

“bin/zkCli.sh”的配置为:

export CLIENT_JVMFLAGS=”
-Dzookeeper.clientCnxnSocket=org.apache.zookeeper.ClientCnxnSocketNetty
-Dzookeeper.client.secure=true
-Dzookeeper.ssl.keyStore.location=/root/zookeeper/ssl/testKeyStore.jks
-Dzookeeper.ssl.keyStore.password=testpass
-Dzookeeper.ssl.trustStore.location=/root/zookeeper/ssl/testTrustStore.jks
-Dzookeeper.ssl.trustStore.password=testpass”

X509AuthenticationProvider

默认情况下，SSL认证是由X509AuthenticationProvider提供的，对应的schema为x509。X509AuthenticationProvider基于javax.net.ssl.X509KeyManager与javax.net.ssl.X509TrustManager提供Host的证书认证机制。X509AuthenticationProvider仅仅当zookeeper.serverCnxnFactory配置为NettyServerCnxnFactory时才可使用，ZooKeeper内置的NIO实现类NIOServerCnxnFactory并不支持SSL。
关键的配置项如下所示：

 

配置项 配置解释

zookeeper.ssl.keyStore.location	KeyStore的路径
zookeeper.ssl.trustStore.location	TrustStore的路径
zookeeper.ssl.keyStore.password	KeyStore的访问密码
zookeeper.ssl.trustStore.password	TrustStore的访问密码

在KeyStore JKS文件中保存了Server的证书以及私钥信息，该证书需要由Client端信任，因此，该证书或CA(证书认证机构信息)也会被存储在Client端的TrustStore JKS文件中。同时，Server端的TrustStore JFS文件中存储了所信任的Client的证书/CA信息。
Client认证成功之后，会创建一个ZooKeeper Session，Client可以设置ACLs的schema为”x509″. “x509″使用Client认证成功后的X500 Principal作为ACL ID。 ACL信息中包含Client认证后的确切的X500 Principal名称。

关于X509与 X500:
X509: 一套数字证书体系标准
X500: 定义了一种区别命名规则，以命名树来确保用户名称的唯一性

与digest认证类似，Server端可以配置一个X509的superUser，对应的Property Key为：

​ zookeeper.X509AuthenticationProvider.superUser

superUser可以绕过ACL配置从而拥有所有znodes的所有权限。

定制X509AuthenticationProvider

除了默认的X509AuthenticationProvider以外，ZooKeeper允许自定义扩展实现X509的安全信任机制，尤其是Certificate Key Infrastructures不使用JKS时。
自定义实现X509AuthenticationProvider应该遵循：

• 继承自X509AuthenticationProvider
• KeyManager需要继承自javax.net.ssl.X509ExtendedKeyManager
• TrustManager需要继承自javax.net.ssl.X509ExtendedTrustManager
• 覆写X509AuthenticationProvider的getKeyManager与getTrustManager方法

这样，自定义的实现才会在SSLEngine中发挥作用。
自定义的AuthenticationProvider需要配置一个对应的schema名称，并且通过系统属性"zookeeper.authProvider.[schema_name]"来配置新定义的AuthenticationProvider实现类，这样在ProviderRegistry初始化时会自动加载。接下来，还需要设置系统属性"zookeeper.ssl.authProvider=[schema_name]"，这样，新定义的AuthenticationProvider才可以被应用在安全认证中。

实现细节

NettyServerCnxnFactory构造函数中初始化ChannelPipeline时调用初始化SSL的方法：

NettyServerCnxnFactory#initSSL方法的实现如下：

CnxnChannelHandler#channelConnected方法的定义如下：

当SslHandler中的handshake Future中的监听者被触发以后，由CertificateVerifier来对证书的合法性进行校验，而CertificateVerifier对证书进行校验的操作是由X509AuthenticationProvider或者自定义的扩展实现类来完成：

Reference

1. Client-Server Mutual Authentication
2. ZOOKEEPER-938
3. ZOOKEEPER-2125
4. ZooKeeper SSL User Guide
5. SSL/TLS协议运行机制的概述

http://www.nosqlnotes.com/technotes/zookeeper-acl/

http://www.nosqlnotes.com/technotes/zookeeper-digest-md5/

http://www.nosqlnotes.com/technotes/zookeeper-ssl/