ZooKeeper学习第六期—ZooKeeper机制架构

作者:邬兴亮

出处:https://www.cnblogs.com/wuxl360/category/874409.html


一、ZooKeeper权限管理机制 

1.1 权限管理ACL(Access Control List) 

ZooKeeper 的权限管理亦即ACL 控制功能,使用ACL来对Znode进行访问控制。ACL的实现和Unix文件访问许可非常相似:它使用许可位来对一个节点的不同操作进行允许或禁止的权 限控制。但是和标准的Unix许可不同的是,Zookeeper对于用户类别的区分,不止局限于所有者(owner)、组 (group)、所有人(world)三个级别。Zookeeper中,数据节点没有”所有者”的概念。访问者利用id标识自己的身份,并获得与之相应的 不同的访问权限。

ZooKeeper 的权限管理通过Server、Client 两端协调完成:

(1) Server端

一个ZooKeeper 的节点存储两部分内容:数据 和 状态,状态中包含ACL 信息。创建一个znode 会产生一个ACL 列表,列表中每个ACL 包括:

  • ① 权限perms
  • ② 验证模式scheme
  • ③ 具体内容expression:Ids

例如,当scheme=”digest” 时, Ids 为用户名密码, 即”root :J0sTy9BCUKubtK1y8pkbL7qoxSw”。ZooKeeper 提供了如下几种验证模式:

  • ① Digest: Client 端由用户名和密码验证,譬如user:pwd
  • ② Host: Client 端由主机名验证,譬如localhost
  • ③ Ip:Client 端由IP 地址验证,譬如172.2.0.0/24
  • ④ World :固定用户为anyone,为所有Client 端开放权限

当会话建立的时候,客户端将会进行自我验证。

权限许可集合如下:

  • ① Create 允许对子节点Create 操作
  • ② Read 允许对本节点GetChildren 和GetData 操作
  • ③ Write 允许对本节点SetData 操作
  • ④ Delete 允许对子节点Delete 操作
  • ⑤ Admin 允许对本节点setAcl 操作

另外,ZooKeeper Java API支持三种标准的用户权限,它们分别为:

  • ① ZOO_PEN_ACL_UNSAFE:对于所有的ACL来说都是完全开放的,任何应用程序可以在节点上执行任何操作,比如创建、列出并删除子节点。
  • ② ZOO_READ_ACL_UNSAFE:对于任意的应用程序来说,仅仅具有读权限。
  • ③ ZOO_CREATOR_ALL_ACL:授予节点创建者所有权限。需要注意的是,设置此权限之前,创建者必须已经通了服务器的认证。

Znode ACL 权限用一个int 型数字perms 表示,perms 的5 个二进制位分别表示setacl、delete、create、write、read。比如adcwr=0x1f,—-r=0x1,a-c-r=0x15。

注意的是,exists操作和getAcl操作并不受ACL许可控制,因此任何客户端可以查询节点的状态和节点的ACL。

(2) 客户端

Client 通过调用addAuthInfo()函数设置当前会话的Author信息 (针对Digest 验证模式) 。Server 收到Client 发送的操作请求 (除exists、getAcl 之外),需要进行 ACL 验证 :对该请求携带的Author 明文信息加密,并与目标节点的ACL 信息进行比较,如果匹配则具有相应的权限,否则请求被Server 拒绝。

下面演示一个通过digest(用户名:密码的方式)为创建的节点设置ACL的例子,代码如下:

    import org.apache.Zookeeper.*;
    import org.apache.Zookeeper.server.auth.DigestAuthenticationProvider;
    import org.apache.Zookeeper.data.*;
    import java.util.*;
    public class NewDigest {
        public static void main(String[] args) throws Exception {//new一个acl
            List<ACL> acls = new ArrayList<ACL>();
         //添加第一个id,采用用户名密码形式
            Id id1 = new Id("digest",DigestAuthenticationProvider.generateDigest("admin:admin"));
            ACL acl1 = new ACL(ZooDefs.Perms.ALL, id1);
            acls.add(acl1);
         //添加第二个id,所有用户可读权限
            Id id2 = new Id("world", "anyone");
            ACL acl2 = new ACL(ZooDefs.Perms.READ, id2);
            acls.add(acl2);
            // Zk用admin认证,创建/test ZNode。
         ZooKeeper Zk = new ZooKeeper("host1:2181,host2:2181,host3:2181",2000, null);
         Zk.addAuthInfo("digest", "admin:admin".getBytes());
         Zk.create("/test", "data".getBytes(), acls, CreateMode.PERSISTENT);
       }
    }

1.2 ZooKeeper SuperDigest

(1) 一次Client 对Znode 进行操作的验证ACL 的方式为:

  • a) 遍历znode的所有ACL:
    • ① 对于每一个ACL,首先操作类型与权限(perms)匹配
    • ② 只有匹配权限成功才进行session 的auth 信息与ACL 的用户名、密码匹配
  • b) 如果两次匹配都成功,则允许操作;否则,返回权限不够error(rc=-102)

(2) 如果Znode ACL List 中任何一个ACL 都没有setAcl 权限,那么就算superDigest 也修改不了它的权限;再假如这个Znode 还不开放delete 权限,那么它的所有子节点都将不会被删除。唯一的办法是通过手动删除snapshot 和log 的方法,将ZK 回滚到一个以前的状态,然后重启,当然这会影响到该znode 以外其它节点的正常应用。

(3) superDigest 设置的步骤:

  • ① 启动ZK 的时候( zkServer.sh ) , 加入参数: Java”-Dzookeeper .DigestAuthenticationProvider.superDigest=super:D/InIHSb7yEEbrWz8b9l71RjZJU=” (无空格)。
  • ② 在客户端使用的时候, addAuthInfo(“digest”, “super:test”, 10, 0, 0); ” super:test” 为”super:D/InIHSb7yEEbrWz8b9l71RjZJU=”的明文表示,加密算法同setAcl。

二、 Watch机制

Zookeeper客户端在数据节点上设置监视,则当数据节点发生变化时,客户端会收到提醒。ZooKeeper中的各种读请求,如getDate(),getChildren(),和exists(),都可以选择加”监视点”(watch)。”监视点”指的是一种 一次性的触发器 (trigger),当受监视的数据发生变化时,该触发器会通知客户端。

(1) 监视机制有三个关键点:

  • ① “监视点”是一次性的,当触发过一次之后,除非重新设置,新的数据变化不会提醒客户端。
  • ② “监视点”将数据改变的通知客户端。如果数据改变是客户端A引起的,不能保证”监视点”通知事件会在引发数据修改的函数返回前到达客户端A。
  • ③ 对于”监视点”,ZooKeeper有如下保证:客户端一定是在接收到”监视”事件(watch event)之后才接收到数据的改变信息。

(2) “监视点”保留在ZooKeeper服务器上,则当客户端连接到新的ZooKeeper服务器上时,所有需要被触发的相关”监视点”都会被触发。当客户端断线后重连,与它的相关的”监视点”都会自动重新注册,这对客户端来说是透明的。在以下情况,”监视点”会被错过:客户端B设置了关于节点A存在性的”监视点”,但B断线了,在B断线过程中节点A被创建又被删除。此时,B再连线后不知道A节点曾经被创建过。

(3) ZooKeeper的”监视”机制保证以下几点:

  • ① “监视”事件的触发顺序和事件的分发顺序一致。
  • ② 客户端将先接收到”监视”事件,然后才收到新的数据
  • ③ “监视”事件触发的顺序与ZooKeeper服务器上数据变化的顺序一致

(4) 关于ZooKeeper”监视”机制的注意点:

  • ① “监视点”是一次性的。
  • ② 由于”监视点”是一次性的,而且,从接收到”监视”事件到设置新”监视点”是有延时的,所以客户端可能监控不到数据的所有变化。
  • ③ 一个监控对象,只会被相关的通知触发一次。如果一个客户端设置了关于某个数据点exists和getData的监控,则当该数据被删除的时候,只会触发”文件被删除”的通知。
  • ④ 当客户端断开与服务器的连接时,客户端不再能收到”监视”事件,直到重新获得连接。所以关于Session的信息将被发送给所有ZooKeeper服务器。由于当连接断开时收不到”监视”,所以在这种情况下,模块行为需要容错方面的设计。

三、Session机制

3.1 会话概述

每个ZooKeeper客户端的配置中都包括集合体中服务器的列表。在启动时,客户端会尝试连接到列表中的一台服务器。如果连接失败,它会尝试连接另一台服务器,以此类推,直到成功与一台服务器建立连接或因为所有ZooKeeper服务器都不可用而失败。

图 3.1 ZooKeeper体系结构

一旦客户端与一台ZooKeeper服务器建立连接,这台服务器就会为该客户端创建一个新的会话。每个会话都会有一个超时的时间设置,这个设置由创建会话的应用来设定。如果服务器在超时时间段内没有收到任何请求,则相应的会话会过期。一旦一个会话已经过期,就无法重新打开,并且任何与该会话相关联的短暂znode都会丢失。会话通常长期存在,而且会话过期是一种比较罕见的事件,但对应用来说,如何处理会话过期仍是非常重要的。

只要一个会话空闲超过一定时间,都可以通过客户端发送ping请求(也称为心跳)保持会话不过期。ping请求由ZooKeeper的客户端库自动发送,因此在我们的代码中不需要考虑如何维护会话。这个时间长度的设置应当足够低,以便能档检测出服务器故障(由读超时体现),并且能够在会话超时的时间段内重新莲接到另外一台服务器。

3.2 故障切换

ZooKeeper客户端可以自动地进行故障切换,切换至另一台ZooKeeper服务器。并且关键的一点是,在另一台服务器接替故障服务器之后,所有的会话和相关的短暂Znode仍然是有效的。在故障切换过程中,应用程序将收到断开连接和连接至服务的通知。当客户端断开连接时,观察通知将无法发送;但是当客户端成功恢复连接后,这些延迟的通知会被发送。当然,在客户端重新连接至另一台服务器的过程中,如果应用程序试图执行一个操作,这个操作将会失败。这充分体现了在真实的ZooKeeper应用中处理连接丢失异常的重要性。

四、ZooKeeper实例状态

(1) ZooKeeper状态

ZooKeeper对象在其生命周期中会经历几种不同的状态。你可以在任何时刻通过getState()方法来查询对象的状态:

public States getState()

States被定义成代表ZooKeeper对象不同状态的枚举类型值(不管是什么枚举值,一个ZooKeeper的实例在一个时刻只能处于一种状态)。在试图与ZooKeeper服务建立连接的过程中,一个新建的ZooKeeper实例处于CONNECTING状态。一旦建立连接,它就会进入CONNECTED状态。 

图 3.2 ZooKeeper状态转换

通过注册观察对象,使用了ZooKeeper对象的客户端可以收到状态转换通知。在进入CONNECTED状态时,观察对象会收到一个WatchedEvent通知,其中KeeperState的值是SyncConnected。

(2) Watch与ZooKeeper状态

ZooKeeper的观察对象肩负着双重责任:

  • ① 可以用来获得ZooKeeper状态变化的相关通知;
  • ② 可以用来获得Znode变化的相关通知。

监视ZooKeeper状态变化:可以使用ZooKeeper对象默认构造函数的观察。

监视Znode变化:可以使用一个专用的观察对象,将其传递给适当的读操作。也可以通过读操作中的布尔标识来设定是否共享使用默认的观察。

ZooKeeper实例可能失去或重新连接ZooKeeper服务,在CONNECTED和CONNECTING状态中切换。如果连接断 开,watcher得到一个Disconnected事件。学要注意的是,这些状态的迁移是由ZooKeeper实例自己发起的,如果连接断开他将自动尝 试自动连接。

如果任何一个close()方法被调用,或是会话由Expired类型的KeepState提示过期时,ZooKeeper可能会转变成第三种状态 CLOSED。一旦处于CLOSED状态,ZooKeeper对象将不再是活动的了(可以使用states的isActive()方法进行测试),而且不 能被重用。客户端必须建立一个新的ZooKeeper实例才能重新连接到ZooKeeper服务。

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