|
|
51CTO旗下网站
|
|
移动端

Tomcat 容器的安全认证和鉴权

容器和 Web 应用采用的是基于角色的权限访问控制方式,其中容器需要实现认证和鉴权的功能,而 Web 应用则要实现授权的功能。

作者:wskwbog来源:顿悟源码|2019-05-20 14:57

大量的 Web 应用都有安全相关的需求,正因如此,Servlet 规范建议容器要有满足这些需求的机制和基础设施,所以容器要对以下安全特性予以支持:

  • 身份验证:验证授权用户的用户名和密码
  • 资源访问控制:限制某些资源只允许部分用户访问
  • 数据完整性:能够证明数据在传输过程中未被第三方修改
  • 机密性或数据隐私:传输加密(SSL),确保信息只能被信任用户访问

本文就以上问题,对 Tomcat 容器提供的认证和鉴权的设计与实现,以及内部单点登录的原理进行分析。首发于微信公众号顿悟源码。

1. 授权

容器和 Web 应用采用的是基于角色的权限访问控制方式,其中容器需要实现认证和鉴权的功能,而 Web 应用则要实现授权的功能。

在 Servlet 规范中描述了两种授权方式:声明式安全和编程式安全。声明式安全就是在部署描述符中声明角色、资源访问权限和认证方式。以下代码片段摘自 Tomcat 自带的 Manager 应用的 web.xml:

  1. <security-constraint> <!-- 安全约束 --> 
  2.   <web-resource-collection> <!-- 限制访问的资源集合 --> 
  3.     <web-resource-name>HTML Manager commands</web-resource-name
  4.     <url-pattern>/html/*</url-pattern> 
  5.   </web-resource-collection> 
  6.   <auth-constraint><!-- 授权可访问此资源集合的角色 --> 
  7.      <role-name>manager-gui</role-name
  8.   </auth-constraint
  9. </security-constraint
  10.  
  11. <login-config><!-- 配置验证方法 --> 
  12.   <auth-method>BASIC</auth-method> 
  13.   <realm-name>Tomcat Manager Application</realm-name
  14. </login-config> 
  15.  
  16. <security-role><!-- 定义一个安全角色 --> 
  17.   <description> 
  18.     The role that is required to access the HTML Manager pages 
  19.   </description> 
  20.   <role-name>manager-gui</role-name
  21. </security-role> 

这些安全相关的配置,都会在应用部署时,初始化和设置到 StandardContext 对象中。更多详细的内容可查看规范对部署描述文件的解释,接下来看 Tomcat 怎么设计和实现认证及鉴权。

2. 认证和鉴权的设计

Servlet 规范虽然描述了 Web 应用声明安全约束的机制,但没有定义容器与关联用户和角色信息之间的接口。因此,Tomcat 定义了一个 Realm 接口,用于适配身份验证的各种信息源。整体设计的类图如下:

上图中,包含了各个类的核心方法,关键类或接口的作用如下:

  • Realm - 译为域,域有泛指某种范围的意思,在这个范围内存储着用户名、密码、角色和权限,并且提供身份和权限验证的功能,典型的这个范围可以是某个配置文件或数据库
  • CombinedRealm - 内部包含一个或多个 Realm,按配置顺序执行身份验证,任一 Realm 验证成功,则表示成功验证
  • LockOutRealm - 提供用户锁定机制,防止在一定时间段有过多身份验证失败的尝试
  • Authenticator - 不同身份验证方法的接口,主要有 BASIC、DIGEST、FORM、SSL 这几种标准实现
  • Principal - 对认证主体的抽象,它包含用户身份和权限信息
  • SingleSignOn - 用于支持容器内多应用的单点登录功能

2.1 初始化

Realm 是容器的一个可嵌套组件,可以嵌套在 Engine、Host 和 Context 中,并且子容器可以覆盖父容器配置的 Realm。默认的 server.xml 在 Engine 中配置了一个 LockOutRealm 组合域,内部包含一个 UserDatabaseRealm,它从配置的全局资源 conf/tomcat-users.xml 中提取用户信息。

web.xml 中声明的安全约束会初始化成对应的 SecurityConstraint、SecurityCollection 和 LoginConfig 对象,并关联到一个 StandardContext 对象。

在上图可以看到,AuthenticatorBase 还实现了 Valve 接口,StandardContext 对象在配置的过程中,如果发现声明了标准的验证方法,那么就会把它加入到自己的 Pipeline 中。

3. 一次请求认证和鉴权过程

Context 在 Tomcat 内部就代表着一个 Web 应用,假设配置使用 BASIC 验证方法,那么 Context 内部的 Pipeline 就有 BasicAuthenticator 和 StandardContextValve 两个阀门,当请求进入 Context 管道时,就首先进行认证和鉴权,方法调用如下:

整个过程的核心代码就在 AuthenticatorBase 的 invoke 方法中:

  1. public void invoke(Request request, Response response) throws IOException, ServletException { 
  2.   LoginConfig config = this.context.getLoginConfig(); 
  3.   // 0. Session 对象中是否缓存着一个已经进行身份验证的 Principal 
  4.   if (cache) { 
  5.     Principal principal = request.getUserPrincipal(); 
  6.     if (principal == null) { 
  7.       Session session = request.getSessionInternal(false); 
  8.       if (session != null) { 
  9.         principal = session.getPrincipal(); 
  10.         if (principal != null) { 
  11.           request.setAuthType(session.getAuthType()); 
  12.           request.setUserPrincipal(principal); 
  13.         } 
  14.       } 
  15.     } 
  16.   } 
  17.   // 对于基于表单登录,可能位于安全域之外的特殊情况进行处理 
  18.   String contextPath = this.context.getPath(); 
  19.   String requestURI = request.getDecodedRequestURI(); 
  20.   if (requestURI.startsWith(contextPath) && requestURI.endsWith(Constants.FORM_ACTION)) { 
  21.           return
  22.       } 
  23.   } 
  24.   // 获取安全域对象,默认配置是 LockOutRealm 
  25.   Realm realm = this.context.getRealm(); 
  26.   // 根据请求 URI 尝试获取配置的安全约束 
  27.   SecurityConstraint [] constraints = realm.findSecurityConstraints(request, this.context); 
  28.   
  29.   if ((constraints == null) /* && (!Constants.FORM_METHOD.equals(config.getAuthMethod())) */ ) { 
  30.     // 为 null 表示访问的资源没有安全约束,直接访问下一个阀门 
  31.     getNext().invoke(request, response); 
  32.     return
  33.   } 
  34.   // 确保受约束的资源不会被 Web 代理或浏览器缓存,因为缓存可能会造成安全漏洞 
  35.   if (disableProxyCaching &&  
  36.       !"POST".equalsIgnoreCase(request.getMethod())) { 
  37.       if (securePagesWithPragma) { 
  38.           response.setHeader("Pragma""No-cache"); 
  39.           response.setHeader("Cache-Control""no-cache"); 
  40.       } else { 
  41.           response.setHeader("Cache-Control""private"); 
  42.       } 
  43.       response.setHeader("Expires", DATE_ONE); 
  44.   } 
  45.   int i; 
  46.   // 1. 检查用户数据的传输安全约束 
  47.   if (!realm.hasUserDataPermission(request, response, constraints)) { 
  48.     // 验证失败 
  49.     // Authenticator已经设置了适当的HTTP状态代码,因此我们不必做任何特殊的事情 
  50.     return
  51.   } 
  52.   // 2. 检查是否包含授权约束,也就是角色验证 
  53.   boolean authRequired = true
  54.   for(i=0; i < constraints.length && authRequired; i++) { 
  55.     if(!constraints[i].getAuthConstraint()) { 
  56.       authRequired = false
  57.     } else if(!constraints[i].getAllRoles()) { 
  58.       String [] roles = constraints[i].findAuthRoles(); 
  59.       if(roles == null || roles.length == 0) { 
  60.         authRequired = false
  61.       } 
  62.     } 
  63.   } 
  64.   // 3. 验证用户名和密码 
  65.   if(authRequired) { 
  66.     // authenticate 是一个抽象方法,由不同的验证方法实现 
  67.     if (!authenticate(request, response, config)) { 
  68.       return
  69.     }  
  70.   } 
  71.   // 4. 验证用户是否包含授权的角色 
  72.   if (!realm.hasResourcePermission(request, response,constraints,this.context)) { 
  73.     return
  74.   } 
  75.   // 5. 已满足任何和所有指定的约束 
  76.   getNext().invoke(request, response); 

另外,AuthenticatorBase 还有一个比较重要的 register() 方法,它会把认证后生成的 Principal 对象设置到当前 Session 中,如果配置了SingleSignOn 单点登录的阀门,同时把用户身份、权限信息关联到 SSO 中。

4. 单点登录

Tomcat 支持通过一次验证就能访问部署在同一个虚拟主机上的所有 Web 应用,可通过以下配置实现:

  1. <Host name="localhost" ...> 
  2.   ... 
  3.   <Valve className="org.apache.catalina.authenticator.SingleSignOn"/> 
  4.   ... 
  5. </Host> 

Tomcat 的单点登录是利用 Cookie 实现的:

当任一 Web 应用身份验证成功后,都会把用户身份信息缓存到 SSO 中,并生成一个名为 JSESSIONIDSSO 的 Cookie

当用户再次访问这个主机时,会通过 Cookie 拿出存储的用户 token,获取用户 Principal 并关联到 Request 对象中

在单机环境下,没有问题,在集群环境下,Tomcat 支持 Session 的复制,那单点登录相关的信息也会同步复制吗?后续会继续分析 Tomcat 集群的原理和实现。

5. 小结

本文介绍的是 Tomcat 内部实现的登录认证和权限,而应用程序通常都是通过 Filter 或者自定义的拦截器(如 Spring 的 Interceptor)实现登录,或者使用第三方安全框架,比如 Shiro,但是原理都差不多。

至此,除了集群的实现,Tomcat 的核心原理已经分析完毕,接下来将会模拟实现一个简单的 Tomcat,欢迎关注。

【编辑推荐】

  1. 高级运维篇:Docker构建Tomcat Web服务器与Tomcat如何优化
  2. 无服务器云安全:如何保护无服务器计算
  3. Nginx+Tomcat会话保持N种方案,各有千秋!你选择对了吗?
  4. 真抓实干:从 0 开始手写一个Tomcat,7 步搞定!
  5. Tomcat 中的 Session 和 Cookie的爱恨情仇
【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】


点赞 0
分享:
大家都在看
猜你喜欢

订阅专栏+更多

WOT2019全球人工智能技术峰会

WOT2019全球人工智能技术峰会

通用技术、应用领域、企业赋能三大章节,13大技术专场,60+国内外一线人工智能精英大咖站台,分享人工智能的平台工具、算法模型、语音视觉等技术主题,助力人工智能落地。
共50章 | WOT峰会

0人订阅学习

Spring Boot 爬虫搜索轻松游

Spring Boot 爬虫搜索轻松游

全栈式开发之旅
共4章 | 美码师

77人订阅学习

Linux性能调优攻略

Linux性能调优攻略

性能调优规范
共15章 | 南非蚂蚁

225人订阅学习

读 书 +更多

实时UML与Rational Rose RealTime建模案例剖析

本书将实时系统、实时统一建模语言、实时系统的统一开发过程和Rational Rose RealTime建模环境有机地结合起来,以案例为基础,系统地介绍了...

订阅51CTO邮刊

点击这里查看样刊

订阅51CTO邮刊

51CTO服务号

51CTO播客