ZooKeeper学习第六期---ZooKeeper机制架构

Posted 2020-08-04 邬兴亮

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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