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05.

12

2015

如何构建安全的Kafka集群

技术博客

Kafka是由LinkedIn设计的一个高吞吐量、分布式、基于发布订阅模式的消息系统,使用Scala编写,它以可水平扩展、可靠性、异步通信和高吞吐率等特性而被广泛使用。目前越来越多的开源分布式处理系统都支持与Kafka集成,其中Spark Strea-ming作为后端流引擎配合Kafka作为前端消息系统正成为当前流处理系统的主流架构之一。

然而,当下越来越多的安全漏洞、数据泄露等问题的爆发,安全正成为系统选型不得不考虑的问题,Kafka由于其安全机制的匮乏,也导致其在数据敏感行业的部署存在严重的安全隐患。本文将围绕Kafka,先介绍其整体架构和关键概念,再深入分析其架构之中存在的安全问题,最后分享下Transwarp在Kafka安全性上所做的工作及其使用方法。

Kafka架构与安全

首先,我们来了解下有关Kafka的几个基本概念:

Topic:Kafka把接收的消息按种类划分,每个种类都称之为Topic,由唯一的Topic Name标识。

Producer:向Topic发布消息的进程称为Producer。

Consumer:从Topic订阅消息的进程称为Consumer。

Broker:Kafka集群包含一个或多个服务器,这种服务器被称为Broker。

 

Kafka的整体架构如下图所示,典型的Kafka集群包含一组发布消息的Producer,一组管理Topic的Broker,和一组订阅消息的Consumer。Topic可以有多个分区,每个分区只存储于一个Broker。Producer可以按照一定的策略将消息划分给指定的分区,如简单的轮询各个分区或者按照特定字段的Hash值指定分区。Broker需要通过ZooKeeper记录集群的所有Broker、选举分区的Leader,记录Consumer的消费消息的偏移量,以及在Consumer Group发生变化时进行relalance. Broker接收和发送消息是被动的:由Producer主动发送消息,Consumer主动拉取消息。

然而,分析Kafka框架,我们会发现以下严重的安全问题:

1. 网络中的任何一台主机,都可以通过启动Broker进程而加入Kafka集群,能够接收Producer的消息,能够篡改消息并发送给Consumer。

2. 网络中的任何一台主机,都可以启动恶意的Producer/Consumer连接到Broker,发送非法消息或拉取隐私消息数据。

3. Broker不支持连接到启用Kerberos认证的ZooKeeper集群,没有对存放在ZooKeeper上的数据设置权限。任意用户都能够直接访问ZooKeeper集群,对这些数据进行修改或删除。

4. Kafka中的Topic不支持设置访问控制列表,任意连接到Kafka集群的Consumer(或Producer)都能对任意Topic读取(或发送)消息。

随着Kafka应用场景越来越广泛,特别是一些数据隐私程度较高的领域(如道路交通的视频监控),上述安全问题的存在犹如一颗定时炸弹,一旦内网被黑客入侵或者内部出现恶意用户,所有的隐私数据(如车辆出行记录)都能够轻易地被窃取,而无需攻破Broker所在的服务器。

Kafka安全设计

基于上述分析,Transwarp从以下两个方面增强Kafka的安全性:

身份认证(Authentication):设计并实现了基于Kerberos和基于IP的两种身份认证机制。前者为强身份认证,相比于后者具有更好的安全性,后者适用于IP地址可信的网络环境,相比于前者部署更为简便。

权限控制(Authorization):设计并实现了Topic级别的权限模型。Topic的权限分为READ(从Topic拉取数据)、WRITE(向Topic中生产数据)、CREATE(创建Topic)和DELETE(删除Topic)。

基于Kerberos的身份机制如下图所示:

Broker启动时,需要使用配置文件中的身份和密钥文件向KDC(Kerberos服务器)认证,认证通过则加入Kafka集群,否则报错退出。

Producer(或Consumer)启动后需要经过如下步骤与Broker建立安全的Socket连接:

1. Producer向KDC认证身份,通过则得到TGT(票证请求票证),否则报错退出。

2. Producer使用TGT向KDC请求Kafka服务,KDC验证TGT并向Producer返回SessionKey(会话密钥)和ServiceTicket(服务票证)。

3. Producer使用SessionKey和ServiceTicket与Broker建立连接,Broker使用自身的密钥解密ServiceTicket,获得与Producer通信的SessionKey,然后使用SessionKey验证Producer的身份,通过则建立连接,否则拒绝连接。

ZooKeeper需要启用Kerberos认证模式,保证Broker或Consumer与其的连接是安全的。

Topic的访问控制列表(ACL)存储于ZooKeeper中,存储节点的路径为/acl//,节点数据为R(ead)、W(rite)、C(reate)、D(elete)权限的集合,如/acl/transaction/jack节点的数据为RW,则表示用户jack能够对transaction这个topic进行读和写。

另外,kafka为特权用户,只有kafka用户能够赋予/取消权限。因此,ACL相关的ZooKeeper节点权限为kafka具有所有权限,其他用户不具有任何权限。

构建安全的Kafka服务

首先,我们为Broker启用Kerberos认证模式,配置文件为/etc/kafka/conf/server.properties,安全相关的参数如下所示:

其中,authentication参数表示认证模式,可选配置项为simple, kerberos和ipaddress,默认为simple。当认证模式为kerberos时,需要额外配置账户属性principal和对应的密钥文件路径keytab.

认证模式为ipaddress时,Producer和Consumer创建时不需要做任何改变。而认证模式为kerberos时,需要预先创建好相应的principal和keytab,并使用API进行登录,样例代码如下所示:

 

Topic权限管理

Topic的权限管理主要是通过AuthorizationManager这个类来完成的,其类结构如下图所示:

 

其中,resetPermission(user, Permissions, topic) 为重置user对topic的权限。

grant(user, Permissions, topic) 为赋予user对topic权限。

revoke(user, Permissions, topic) 为取消user对topic权限。

isPermitted(user, Permissions, topic) 为检查user对topic是否具有指定权限。

调用grant或revoke进行权限设置完成后,需要commit命令提交修改到ZooKeeper

 

Kerberos模式下,AuthorizationManager需要先使用AuthenticationManager.login方法登录,与ZooKeeper建立安全的连接,再进行权限设置。示例代码如下所示:

ipaddress认证模式下,取消和赋予权限的操作如下所示:

总结与展望

本文通过介绍Kafka现有架构,深入挖掘其中存在的安全问题,并给出Transwarp在Kafka安全上所做的工作及其使用方式。然而,纵观Hadoop & Spark生态系统,安全功能还存在很多问题,各组件的权限系统独立混乱,缺少集中易用的账户管理系统。某些组件的权限管理还很不成熟,如Spark的调度器缺少用户的概念,不能限制具体用户使用资源的多少。Transwarp基于开源版本,在安全方面已有相当多的积累,并持续改进开发,致力于为企业用户提供一个易用、高效、安全和稳定的基础数据平台。