Apache Kafka 中的认证、鉴权原理与应用

编辑导读：本篇内容将进一步介绍 Kafka 中的认证、鉴权等概念。AutoMQ 是与 Apache Kafka 100% 完全兼容的新一代 Kafka，可以帮助用户降低 90%以上的 Kafka 成本并且进行极速地自动弹性。作为 Kafka 生态的忠实拥护者，我们也会持续致力于传播 Kafka 技术，欢迎关注我们。

我们在此前的文章《AutoMQ SASL 安全身份认证配置教程》[1]介绍过 Apache Kafka （以下简称 Kafka）服务端和客户端的 SASL 认证协议配置，并在《AutoMQ SSL 安全协议配置教程》[2]详细介绍了如何利用 SSL（TLS） 实现 Kafka 或 AutoMQ 的安全通信。本文将进一步概述 Kakfa 中的认证方法和鉴权策略，并通过一个例子来说明我们在真实应用场景中如何对 Kafka 或者 AutoMQ 集群开启身份认证和鉴权。

注意，本文默认 Kafka 集群是以 Kraft 模式工作的。

Listener、安全协议、认证与鉴权的关系

先回顾一下 listener 的作用。listener 是 Kafka 服务端定义监听地址（域名/IP + 端口）和安全协议的实体。一般情况下，我们可以利用多 listener 来差异化设置：

  • broker 与 broker 之间，controller 与 broker 之间，client 与 broker 之间的通信安全协议；

  • 内网（局域网或 VPC 内部）访问 broker、外网访问 broker 时的通信安全协议；

我们可以将 listener name 跟安全协议进行映射，举例来说，Kafka 支持以下安全协议：

我们可以设置 client 与 broker 之间使用 SASL_SSL 协议保证加密性，而集群节点之间使用 SASL_PLAINTEXT 减少 CPU 加密解密的消耗：

listeners=EXTERNAL://:9092,BROKER://10.0.0.2:9094
advertised.listeners=EXTERNAL://broker1.example.com:9092,BROKER://broker1.local:9094
listener.security.protocol.map=EXTERNAL:SASL_SSL,BROKER:SASL_PLAINTEXT 
inter.broker.listener.name=BROKER

下图展示了 Listener、安全协议、认证与鉴权之间的关系

在这里插入图片描述

安全协议决定了服务端和客户端之间的认证（Authentication）协议，而鉴权（Authorization）基本独立于认证，只校验通过认证的主体对请求中涉及的资源是否有操作权限。下文将详细介绍认证方法和鉴权规则。

认证

认证主体

先简单介绍一下认证主体的概念。

认证主体是对 client 的身份标识，对应一个 KafkaPrincipal 对象[5]。当 client 通过认证协议完成认证后，broker 侧会将该 KafkaPrincipal 对象塞入 RequestContext，并向上传递，以供后续鉴权。一个 KafkaPrincipal 对象主要包括主体类型（目前仅有"User"这一类别）以及一个名称（可以简单理解为 client 声明的用户名）。

认证协议

安全协议到认证协议之间的映射为：

  • PLAINTEXT：无认证；

  • SSL：无认证/mTLS；

  • SASL_PLAINTEXT: SASL;

  • SASL_SSL: SASL;

其中 SSL 如果想要利用 mTLS 进行认证，需要在 broker 侧开启对 client 的 SSL 验证：

ssl.client.auth=required

利用证书中的“DistinguishedName”字段[4]识别认证主体。由于认证通常涉及到用户的管理，这种通过证书进行认证的方式在增删用户时显得比较“笨重”（尤其是动态增删用户的场景），并不是主流的认证方式。

SASL 认证协议又可以进一步细分为以下认证机制：

  • GSSAPI：借助第三方 Kerberos[3]（一种基于 ticket 的加密认证协议）服务器进行认证认证；

  • PLAIN：简单账密认证，注意它跟前文的 PLAINTEXT 不是一个概念；

  • SCRAM-SHA-256/512：基于 SCRAM 算法，由 Kafka 节点基于 record 自认证；

  • OAUTHBEARER：借助第三方 OAuth 服务器认证；

Kafka broker 允许同时启用多种 SASL 认证，例如同时启用 SCRAM-SHA-256/512 + PLAIN：

sasl.enabled.mechanisms=SCRAM-SHA-256,PLAIN,SCRAM-SHA-512

Broker 侧还需要额外的 JAAS 配置，在《AutoMQ SASL 安全身份认证配置教程》中已经提及，这里不再赘述。

需要注意的是，Kafka 提供了默认的 SASL/PLAIN 实现，需要在每个节点配置中显示声明账密信息。这种静态认证方式同样不利于用户的动态管理，可以通过集成外部的账密认证服务器来提供动态能力。

鉴权

鉴权是基于认证主体，检查是否有权限操作请求的资源。

鉴权配置

重要的配置包括：

  • authorizer.class.name：指定鉴权器，默认为空。Kraft 模式下可以填写官方提供的 “org.apache.kafka.metadata.authorizer.StandardAuthorizer”，基于 ACL（access control list）规则认证；

  • super.users：设置超级用户，默认为空。格式为 User:{userName}。这里指定的用户将不受 ACL 约束，直接拥有所有资源的所有操作权限；

  • allow.everyone.if.no.acl.found：指定资源没有任意 ACL 约束时的默认权限，默认为 false。false 表示仅允许 super user 操作，true 表示允许任意用户操作。

鉴权规则

Kafka 是基于 ACL（access control list） 规则限制用户对资源的访问的。一条 ACL 规则包含两部分：

  • ResourcePattern：声明资源及其匹配方式，包含：

    • ResourceType：资源类型，包括 TOPIC、GROUP（消费者组）、CLUSTER 等；

    • ResourceName：资源名称；

    • PatternType：资源匹配方式，包括 LITERAL（全文匹配） 和 PREFIXED（前缀匹配）；

  • AccessControlEntry：用户限制信息，包括：

    • Principal：认证主体，其实就是个用户名；

    • Host：用户主机地址；

    • AclOperation：操作行为，包括 Read、Write、CREATE、DELETE 等；

    • AclPermissionType：允许/禁止。

一句话串联上述规则信息就是：

允许/禁止 来自 {Host} 的用户 {Principal} 对匹配类型为 {PatternType} 、名称为 {ResourceName} 的资源进行 {AclOperation} 操作。

当同时满足：

  • 存在某条 ACL 允许用户操作

  • 不存在任何一条 ACL 禁止用户操作

时，允许用户对资源进行操作。

需要注意的是，可以将通配符“*”作为 ResourceName 或 Host 的内容。对于 Host 字段，填写“*” 表示任意地址。ResourceName 为 “*”，且 PatternType 为 LITERAL 时表示匹配任意名称；如果 ResourceName 为 “*”，PatternType 为 PREFIXED，表示匹配前缀名称为“*”的资源。

此外，当 ResourceType 为 CLUSTER 时，ResourceName 只能填写"kafka-cluster"。

升级认证协议或开启鉴权

某些情况下我们需要考虑安全协议的切换，或者需要将集群从无鉴权转为开启鉴权。例如，在开发环境中，我们通常直接用默认的 PLAINTEXT 配置集群，如果不幸在测试或生产环境中也使用了 PLAINTEXT 协议，那么就需要考虑升级安全协议并开启鉴权。

以下以“PLAINTEXT、无鉴权”升级为“SASL_PLAINTEXT、开启鉴权”为例，介绍如何平滑过渡。其他安全协议的变化可以以此类推。

以下假定三台 Kafka 节点都在本机部署，使用不同的端口以示区分。三台节点均为 controller + broker 的混部节点。注意，各个阶段变更时，需要一一重启各个节点。

整体逻辑示意图：

在这里插入图片描述

集群共需要三轮重启，业务侧需要一轮重启。

原始配置

以下为第一个节点在 PLAINTEXT 协议下的部分配置，其他节点配置依次类推：

node.id=1
controller.quorum.voters=1@localhost:9093,2@localhost:9095,3@localhost:9097
listeners=PLAINTEXT://:9092,CONTROLLER://:9093
inter.broker.listener.name=PLAINTEXT
advertised.listeners=PLAINTEXT://localhost:9092
controller.listener.names=CONTROLLER
listener.security.protocol.map=CONTROLLER:PLAINTEXT,PLAINTEXT:PLAINTEXT,SSL:SSL,SASL_PLAINTEXT:SASL_PLAINTEXT,SASL_SSL:SASL_SSL

阶段一：新协议+默认 ALLOW 鉴权上线

node.id=1
# 保持不变
controller.quorum.voters=1@localhost:9093,2@localhost:9095,3@localhost:9097
# controller 和 broker 的新 listener 上线
listeners=PLAINTEXT://:9092,CONTROLLER://:9093,BROKER_SASL://:9192,CONTROLLER_SASL://:9193
# 保持不变
inter.broker.listener.name=PLAINTEXT
# 新地址上线
advertised.listeners=PLAINTEXT://localhost:9092,BROKER_SASL://localhost:9192
# 新 listener 上线
controller.listener.names=CONTROLLER,CONTROLLER_SASL

# authorization
authorizer.class.name=org.apache.kafka.metadata.authorizer.StandardAuthorizer
# 允许所有人访问资源
allow.everyone.if.no.acl.found=true
# 超级用户，用于节点之间认证
super.users=User:automq

sasl.enabled.mechanisms=SCRAM-SHA-256,PLAIN,SCRAM-SHA-512
# 指定与 broker 通信时具体的 SASL 机制
sasl.mechanism.inter.broker.protocol=PLAIN
# 指定与 controller 通信时具体的 SASL 机制
sasl.mechanism.controller.protocol=PLAIN
# 静态账密配置
listener.name.broker_sasl.plain.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required \
   username="automq" \
   password="automq-secret" \
   user_automq="automq-secret";

listener.name.controller_sasl.plain.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required \
   username="automq" \
   password="automq-secret" \
   user_automq="automq-secret";

# 认证模块配置
listener.name.broker_sasl.scram-sha-256.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;
listener.name.controller_sasl.scram-sha-256.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;
listener.name.broker_sasl.scram-sha-512.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;
listener.name.controller_sasl.scram-sha-512.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;

# 添加新 listener 到 安全协议的映射
listener.security.protocol.map=CONTROLLER:PLAINTEXT,PLAINTEXT:PLAINTEXT,SSL:SSL,SASL_PLAINTEXT:SASL_PLAINTEXT,SASL_SSL:SASL_SSL,BROKER_SASL:SASL_PLAINTEXT,CONTROLLER_SASL:SASL_PLAINTEXT

其中“allow.everyone.if.no.acl.found”设置为 true，是为了让线上的 client 能够正常认证，避免直接鉴权失败。

“controller.listener.names”设置为“CONTROLLER，CONTROLLER_SASL”，表示 controller 同时使用两个 listener，并且本 node 的 broker 将使用“CONTROLLER”映射的安全协议与 controller 通信。

本阶段结束以后，需要通知业务方重新配置基于 SASL_PLAINTEXT 配置客户端。同时，需要为各业务方配置 ACL 所需的规则。

阶段二：节点之间使用新协议+鉴权开启

在上一阶段执行后，新协议下的 listener 已经上线，并可以对外提供服务，但是集群的节点之间依旧维持原有的通信协议，本阶段会将内部通信进行升级：

node.id=1
# 使用新 controller 端口
controller.quorum.voters=1@localhost:9193,2@localhost:9195,3@localhost:9197
# 保持不变
listeners=PLAINTEXT://:9092,CONTROLLER://:9093,BROKER_SASL://:9192,CONTROLLER_SASL://:9193
# 使用新协议
inter.broker.listener.name=BROKER_SASL
# 使用新地址
advertised.listeners=PLAINTEXT://localhost:9092,BROKER_SASL://localhost:9192

# 注意顺序变化
controller.listener.names=CONTROLLER_SASL,CONTROLLER

# authorization
authorizer.class.name=org.apache.kafka.metadata.authorizer.StandardAuthorizer
# allow.everyone.if.no.acl.found=true
super.users=User:automq

# 保持不变
sasl.enabled.mechanisms=SCRAM-SHA-256,PLAIN,SCRAM-SHA-512
sasl.mechanism.inter.broker.protocol=PLAIN
sasl.mechanism.controller.protocol=PLAIN
listener.name.broker_sasl.plain.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required \
   username="automq" \
   password="automq-secret" \
   user_automq="automq-secret";
listener.name.controller_sasl.plain.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required \
   username="automq" \
   password="automq-secret" \
   user_automq="automq-secret";

# 保持不变
listener.name.broker_sasl.scram-sha-256.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;
listener.name.controller_sasl.scram-sha-256.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;
listener.name.broker_sasl.scram-sha-512.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;
listener.name.controller_sasl.scram-sha-512.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;

# 保持不变
listener.security.protocol.map=CONTROLLER:PLAINTEXT,PLAINTEXT:PLAINTEXT,SSL:SSL,SASL_PLAINTEXT:SASL_PLAINTEXT,SASL_SSL:SASL_SSL,BROKER_SASL:SASL_PLAINTEXT,CONTROLLER_SASL:SASL_PLAINTEXT

注意，“allow.everyone.if.no.acl.found”配置被注释掉了，也就是不再默认允许任何人任意操作资源了。

阶段三：下线旧协议

node.id=1

# 保持不变
controller.quorum.voters=1@localhost:9193,2@localhost:9195,3@localhost:9197
# 下线旧 listener
listeners=BROKER_SASL://:9192,CONTROLLER_SASL://:9193

# 保持不变
inter.broker.listener.name=BROKER_SASL

# 下线旧地址
advertised.listeners=BROKER_SASL://localhost:9192

# 下线旧 listener
controller.listener.names=CONTROLLER_SASL

# authorization
authorizer.class.name=org.apache.kafka.metadata.authorizer.StandardAuthorizer
# allow.everyone.if.no.acl.found=true
super.users=User:automq

# 保持不变
sasl.enabled.mechanisms=SCRAM-SHA-256,PLAIN,SCRAM-SHA-512
sasl.mechanism.inter.broker.protocol=PLAIN
sasl.mechanism.controller.protocol=PLAIN
listener.name.broker_sasl.plain.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required \
   username="automq" \
   password="automq-secret" \
   user_automq="automq-secret";
listener.name.controller_sasl.plain.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required \
   username="automq" \
   password="automq-secret" \
   user_automq="automq-secret";

# 保持不变
listener.name.broker_sasl.scram-sha-256.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;
listener.name.controller_sasl.scram-sha-256.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;
listener.name.broker_sasl.scram-sha-512.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;
listener.name.controller_sasl.scram-sha-512.sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.scram.ScramLoginModule required;

# 保持不变
listener.security.protocol.map=CONTROLLER:PLAINTEXT,PLAINTEXT:PLAINTEXT,SSL:SSL,SASL_PLAINTEXT:SASL_PLAINTEXT,SASL_SSL:SASL_SSL,BROKER_SASL:SASL_PLAINTEXT,CONTROLLER_SASL:SASL_PLAINTEXT

至此，旧协议下线，所有通信基于 SASL_PLAINTEXT 协议。

总结

本文概述了 Kafka 中的认证协议和鉴权策略。首先介绍了 listener 与安全协议的映射，以及安全协议与认证方法的映射。接着分别介绍 Kafka 中支持的多种认证协议，以及 ACL 鉴权策略。在认证通过后，Kafka 会生成一个认证主体，供上层进行细粒度的鉴权。最后介绍了如何对一个运行中的 Kafka 集群中进行认证协议升级以及开启鉴权。

参考文献

[1] https://www.automq.com/blog/automq-sasl-security-authentication-configuration-guide

[2] https://www.automq.com/blog/automq-ssl-security-protocol-configuration-tutorial

[3] https://developer.confluent.io/courses/security/authentication-basics/

[4] https://smallstep.com/hello-mtls/doc/server/kafka

[5] https://web.mit.edu/kerberos/

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