Kafka安全模式之身份认证

Bella_chene2024-03-03 14:45

一、简介

Kafka作为一个分布式的发布-订阅消息系统，在日常项目中被频繁使用，通常情况下无论是生产者还是消费者只要订阅Topic后，即可进行消息的发送和接收。而kafka在0.9.0.0版本后添加了身份认证和权限控制两种安全服务，本文主要介绍在实际项目使用过程中遇到第三方kafka需身份认证时如何解决，以及对可能会碰到的问题进行总结。

二、原理介绍

Kafka身份认证主要分为以下几种：

（1）客户端与broker之间的连接认证

（2）broker与broker之间的连接认证

（3）broker与zookeeper之间的连接认证

日常项目中，无论是生产者还是消费者，我们都是作为客户端与kafka进行交互，因此使用的最多的是客户端与broker之间的连接认证。图1是客户端与服务端broker之间的认证过程图，客户端提交认证数据，服务端会根据认证数据对当前客户端进行身份校验，校验成功后的客户端即可成功登录kafka，进行后续操作。

图1 客户端与broker之间认证过程图

目前Kafka提供了SASL、SSL、Delegation Tokem三种安全认证机制，而SASL认证又分为了以下几种方式：

（1 ）基于Kerberos 的GSSAPI

SASL-GSSAPI提供了一种非常安全的身份验证方法，但使用前提是企业中有Kerberos基础，一般使用随机密码的keytab认证方式，密码是加密的，在0.9版本中引入，目前是企业中使用最多的认证方式。

（2 ）SASL-PLAIN

SASL-PLAIN方式是一个经典的用户名/密码的认证方式，其中用户名和密码是以明文形式保存在服务端的JAAS配置文件中的，当客户端使用PLAIN模式进行认证时，密码是明文传输的，因此安全性较低，但好处是足够简单，方便我们对其进行二次开发，在0.10版本引入。

（3 ）SASL-SCRAM

SASL-SCRAM是针对SASL-PLAIN方式的不足而提供的另一种认证方式，它将用户名/密码存储在zookeeper中，并且可以通过脚本动态增减用户，当客户端使用SCRAM模式进行认证时，密码会经过SHA-256或SHA-512哈希加密后传输到服务器，因此安全性较高，在0.10.2版本中引入。

对Kafka集群来说，要想实现完整的安全模式，首先为集群中的每台机器生成密钥和证书是第一步，其次利用SASL对客户端进行身份验证是第二步，最后对不同客户端进行读写操作的授权是第三步，这些步骤即可以单独运作也可以同时运作，从而提高kafka集群的安全性。

三、具体实现

本文主要介绍作为kafka生产者，如何基于Kerberos进行身份认证给第三方kafka发送数据。

Kerberos主要由三个部分组成：密钥分发中心Key Distribution Center（即KDC）、客户端Client、服务端Service，大致关系图如下图2所示，其中KDC是实现身份认证的核心组件，其包含三个部分：

  1. Kerberos Database：储存用户密码以及其他信息
  2. Authentication Service(AS)：进行用户身份信息验证，为客户端提供Ticket Granting Tickets(TGT)
  3. Ticket Granting Service(TGS)：验证TGT，为客户端提供Service Tickets

我们作为生产者向第三方kafka发送数据，因此需要第三方提供以下安全认证文件：

  • 用户名principle：标识客户端的用户身份，也即用于登录的用户名
  • 指定用户名对应的秘钥文件xx.keytab：存储了用户的加密密码
  • 指定安全认证的服务配置文件krb5.conf：客户端根据该文件中的信息去访问KDC

获取以上安全认证文件后，即可编写java代码连接第三方kafka，步骤如下：

1、将安全认证文件xx.keytab和krb5.conf放置于某一路径下，确保后续java代码可进行读取

2、添加kafka配置文件，开启安全模式认证，其中kerberos.path是第一步中认证文件所在的目录

3、修改Kafka生产者配置，开启安全连接

4、调用认证工具类进行登录认证

LoginUtil认证工具类的核心是根据第一步中提供的安全认证文件自动生成jaas配置文件，该文件是kafka安全模式下认证的核心。代码如下：

java 复制代码 
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.io.File;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;

/**
 * @ProjectName: stdp-security-demo
 * @Package: 
 * @ClassName: LoginUtil
 * @Author: stdp
 * @Description: ${description}
 */
public class LoginUtil {
	
	public enum Module {
		KAFKA("KafkaClient"), ZOOKEEPER("Client");

		private String name;

		Module(String name) {
			this.name = name;
		}

		public String getName() {
			return name;
		}
	}

	private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(LoginUtil.class);

	/**
	 * line operator string
	 */
	private static final String LINE_SEPARATOR = System.getProperty("line.separator");

	/**
	 * jaas file postfix
	 */
	private static final String JAAS_POSTFIX = ".jaas.conf";

	private static final String JAVA_SECURITY_KRB5_CONF_KEY = "java.security.krb5.conf";

	public static final String JAVA_SECURITY_LOGIN_CONF_KEY = "java.security.auth.login.config";

	private static final String ZOOKEEPER_SERVER_PRINCIPAL_KEY = "zookeeper.server.principal";

	
	private static final boolean IS_IBM_JDK = System.getProperty("java.vendor").contains("IBM");

	/**
	 * oracle jdk login module
	 */
	private static final String SUN_LOGIN_MODULE = "com.sun.security.auth.module.Krb5LoginModule required";


	public synchronized static void login(String userPrincipal, String userKeytabPath, String krb5ConfPath)
			throws IOException
	{
		// 1.check input parameters
		if ((userPrincipal == null) || (userPrincipal.length() <= 0))
		{
			LOGGER.error("input userPrincipal is invalid.");
			throw new IOException("input userPrincipal is invalid.");
		}

		if ((userKeytabPath == null) || (userKeytabPath.length() <= 0))
		{
			LOGGER.error("input userKeytabPath is invalid.");
			throw new IOException("input userKeytabPath is invalid.");
		}

		if ((krb5ConfPath == null) || (krb5ConfPath.length() <= 0))
		{
			LOGGER.error("input krb5ConfPath is invalid.");
			throw new IOException("input krb5ConfPath is invalid.");
		}

		// 2.check file exsits
		File userKeytabFile = new File(userKeytabPath);
		if (!userKeytabFile.exists())
		{
			LOGGER.error("userKeytabFile(" + userKeytabFile.getAbsolutePath() + ") does not exsit.");
			throw new IOException("userKeytabFile(" + userKeytabFile.getAbsolutePath() + ") does not exsit.");
		}
		if (!userKeytabFile.isFile())
		{
			LOGGER.error("userKeytabFile(" + userKeytabFile.getAbsolutePath() + ") is not a file.");
			throw new IOException("userKeytabFile(" + userKeytabFile.getAbsolutePath() + ") is not a file.");
		}

		File krb5ConfFile = new File(krb5ConfPath);
		if (!krb5ConfFile.exists())
		{
			LOGGER.error("krb5ConfFile(" + krb5ConfFile.getAbsolutePath() + ") does not exsit.");
			throw new IOException("krb5ConfFile(" + krb5ConfFile.getAbsolutePath() + ") does not exsit.");
		}
		if (!krb5ConfFile.isFile())
		{
			LOGGER.error("krb5ConfFile(" + krb5ConfFile.getAbsolutePath() + ") is not a file.");
			throw new IOException("krb5ConfFile(" + krb5ConfFile.getAbsolutePath() + ") is not a file.");
		}

		// 3.set and check krb5config
		setKrb5Config(krb5ConfFile.getAbsolutePath());

//        LOGGER.info("check zookeeper server Principal =============================================");
        setZookeeperServerPrincipal(userPrincipal);
//        LOGGER.info("check jaas.conf +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++");
        setJaasFile(userPrincipal,userKeytabPath);
		LOGGER.info("Login success!!!!!!!!!!!!!!");
	}


	public static void setKrb5Config(String krb5ConfigFile) throws IOException {
		System.setProperty(JAVA_SECURITY_KRB5_CONF_KEY,krb5ConfigFile);
		String ret = System.getProperty(JAVA_SECURITY_KRB5_CONF_KEY);
		if (ret == null) {
			LOGGER.error(JAVA_SECURITY_KRB5_CONF_KEY + " is null.");
			throw new IOException(JAVA_SECURITY_KRB5_CONF_KEY + " is null.");
		}
		if (!ret.equals(krb5ConfigFile)){
			LOGGER.error(JAVA_SECURITY_KRB5_CONF_KEY + " is " + ret + " is not " + krb5ConfigFile + ".");
			throw new IOException(JAVA_SECURITY_KRB5_CONF_KEY + " is " + ret + " is not " + krb5ConfigFile + ".");
		}
	}

	public static void setJaasFile(String userPrincipal,String userKeytabPath) throws IOException {
		String jaasPath = new File(System.getProperty("java.io.tmpdir")) + File.separator + System.getProperty("user.name") + JAAS_POSTFIX;
		LOGGER.info("jaasPath = {}",jaasPath);
		//windows路径下分隔符替换
		jaasPath = jaasPath.replace("\\","\\\\");
		userKeytabPath = userKeytabPath.replace("\\","\\\\");
		//删除jaas文件
		deleteJaasFile(jaasPath);
		writeJaasFile(jaasPath,userPrincipal,userKeytabPath);
		System.setProperty(JAVA_SECURITY_LOGIN_CONF_KEY,jaasPath);
	}

	private static void deleteJaasFile(String jaasPath) throws IOException {
		File jaasFile = new File(jaasPath);
		if (jaasFile.exists()){
			if (!jaasFile.delete()){
				throw new IOException("failed to delete exists jaas file.");
			}
		}
	}

	private static void writeJaasFile(String jaasPath,String userPrincipal,String userKeytabPath) throws IOException {
		FileWriter writer = new FileWriter(new File(jaasPath));
		try{
			writer.write(getJaasConfContext(userPrincipal,userKeytabPath));
			writer.flush();
		}catch (IOException e){
			throw new IOException("Failed to create jaas.conf File.");
		}finally {
			writer.close();
		}
	}


	private static String getJaasConfContext(String userPrincipal,String userKeytabPath) throws IOException{
		Module[] allModule = Module.values();
		StringBuffer builder = new StringBuffer();
		for (Module module: allModule){
			String serviceName = null;
			if ("Client".equals(module.getName())){
				serviceName = "zookeeper";
			}else if ("KafkaClient".equals(module.getName())){
				serviceName = "kafka";
			}
			builder.append(getModuleContext(userPrincipal,userKeytabPath,module,serviceName));
		}
		return builder.toString();
	}

	private static String getModuleContext(String userPrincipal,String userKeytabPath,Module module,String serviceName) throws IOException {
		StringBuffer builder = new StringBuffer();
		if (IS_IBM_JDK){
			builder.append(module.getName()).append(" {").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("credsType=both").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("principal=\"" + userPrincipal.trim() + "\"").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("useKeytab=\"" + userKeytabPath + "\"").append(LINE_SEPARATOR);
            builder.append("serviceName=\""+serviceName + "\"").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("debug=true;").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("};").append(LINE_SEPARATOR);
		}else {
			builder.append(module.getName()).append(" {").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append(SUN_LOGIN_MODULE).append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("useKeyTab=true").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("keyTab=\"" + userKeytabPath + "\"").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("principal=\"" + userPrincipal.trim() + "\"").append(LINE_SEPARATOR);
            builder.append("serviceName=\""+serviceName + "\"").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("useTicketCache=false").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("storeKey=true").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("debug=true;").append(LINE_SEPARATOR);
			builder.append("};").append(LINE_SEPARATOR);
		}
		return builder.toString();
	}


	public static void setZookeeperServerPrincipal(String zkServerPrincipal) throws IOException {
		System.setProperty(ZOOKEEPER_SERVER_PRINCIPAL_KEY,zkServerPrincipal);
		String ret = System.getProperty(ZOOKEEPER_SERVER_PRINCIPAL_KEY);
		if (ret == null) {
			LOGGER.error(ZOOKEEPER_SERVER_PRINCIPAL_KEY + " is null.");
			throw new IOException(ZOOKEEPER_SERVER_PRINCIPAL_KEY + " is null.");
		}
		if (!ret.equals(zkServerPrincipal)){
			LOGGER.error(ZOOKEEPER_SERVER_PRINCIPAL_KEY + " is " + ret + " is not " + zkServerPrincipal + ".");
			throw new IOException(ZOOKEEPER_SERVER_PRINCIPAL_KEY + " is " + ret + " is not " + zkServerPrincipal + ".");
		}
	}
}

经过以上四步的配置，启动项目后即可自动连接kafka进行身份校验，若登录成功，会输出如下提示信息：Login success，并且会将生成的jaas文件路径打印出来。

四、常见问题

1、认证文件找不到

这是因为步骤1中kerberos.path配置有问题，检查path路径下是否存在认证文件keytab和krb5.conf。

2、 principal和keytab不匹配

不同的用户名对应不同的密码，在身份校验时，需保证用户名principle和密码keytab的一致性，否则无法验证通过。而principal和keytab不匹配可能存在以下两种场景：

  • 配置文件中出现问题：检查kerberos.principle和kerberos.keytab中的用户名（即hkjj）是否一致。
  • 检查生成的jaas文件中用户名和配置的用户名是否相同

如果步骤1检查没用问题，则可根据日志中输出的jaas文件路径查看自动生成的jaas文件中的principal和配置文件中的kerberos.principle是否一致。比如我的这个项目中，就是由于现场技术配置kerberos.principle时后面多打了一个空格，导致自动生成的jaas文件中的principle后多一个空格，因此和keytab认证失败。

为了彻底解决这个误打空格的问题，可以直接修改认证工具类LoginUtil，在生成jaas文件的principle时去掉可能存在的空格。

3、用户密码keytab更新，导致出现checksum failed

这是由于principal对应的密码修改了，但是程序中使用的还是旧的密码，就会出现这个问题。解决办法是找第三方提供principal对应的最新的密码文件keytab。

4、jaas文件找不到

该问题是由于找不到jaas.conf 这个文件导致的，而基于kerberos认证时一般不会出现，这是因为kerberos认证时jaas文件是由LoginUtil工具类根据安全认证文件自动生成并且存储在指定路径下的。

该问题通常出现在SASL-PLAIN方式的认证中，因为该方式需要添加一个配置参数java.security.auth.login.config来标识jaas文件的路径，如果文件路径出错则会报以上错误。

五、总结

在kafka身份认证的过程中，需要的principal，keytab，ServiceName等信息均配置在jaas文件中，因此保证认证的服务可以读取到正确的文件及正确的配置是kafka安全模式下认证的核心。

基于kerberos认证时，可根据安全认证文件自动生成jaas配置文件，从而保证了密码加密传输，相比于SASL-PLAIN模式更具安全性，并且认证实现过程也较为简单。

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