构建和实现单点登录解决方案（转载于IBMdeveloperWorks）

Posted 2020-09-01 御姐

将一个开放源码的基于 Java 的身份验证组件集成进 Web 门户中

在现有的应用程序中实现单点登录解决方案（single sign-on，SSO，即登录一次，就可以向所有网络资源验证用户的身份）是非常困难的，但是在构建复杂的门户时，每个开发人员都要面对这个问题。因为门户需要与后端资源集成，而每个后端资源都有自己的身份验证需求，所以门户常常必须向用户提供单点登录特性。在本文中，Chris Dunne 一步步地描述了他为一个 Web 门户构建单点登录解决方案的经历。他将讲解如何设置一个开放源码解决方案（来自 Yale University 的 Central Authentication Service），以及如何将它扩展为根据 Microsoft Active Directory 基础设施进行身份验证。

我在自己的工作中发现，对各种门户应用程序的需求正在增长。门户的技术和功能性需求变得越来越复杂了。尽管出现了可以构建简单门户的工具，但是门户与远程或遗留数据源的集成问题仍然不容易解决。其中一个问题就是身份验证。

身份验证是个复杂的问题。门户需要向后端数据源和应用程序验证用户的身份，但是这些应用程序可能具有互不相同的底层安全基础设施。理想的最高效的身份验证解决方案是单点登录（single sign-on，SSO） 解决方案；在这种解决方案中，用户只需要登录一次，就可以向所有网络资源验证他的身份。

最近，在构建一个需要 SSO 的教育门户时，我研究了许多商业的和开放源码的 SSO 解决方案。在本文中，我将一步步地介绍使用免费的 SSO 实现（来自 Yale University 的 CAS）构建简单 SSO 系统的过程。

为什么要选择单点登录？

有多少人实现过自己的身份验证机制（常常是某种简单的数据库查询）？您是否常常考虑创建和管理用户帐号所需的工作流？在任何开发项目中，身份验证都是很常见的任务。如果幸运的话，公司已经有一些通用的身份验证类或库。但是，这个任务常常被忽视，被当作只在后台发生的微不足道的事情。

一般来说，公司往往没有一致的身份验证策略或可靠的身份验证框架。随着时间的推移，这会导致大量应用程序具有自己的身份验证需求和用户存储库。每个人都需要记住多个用户名和密码，才能访问网络上的不同应用程序。这给管理和支持部门带来很大的负担 —— 必须在每个应用程序中为每个职员设置帐号，当用户忘记密码时还要帮助他们解决问题，等等。

身份验证是多种应用程序、平台和基础设施共有的需求。一般来说，一个用户应该不需要多个用户名。理想情况下，他应该只需要证明自己的身份一次，然后就能够访问所有已经得到授权的网络资源。

SSO 的目标是，让用户能够通过一次登录访问所有应用程序。它提供一个统一的机制来管理用户的身份验证，并实现业务规则来决定用户对应用程序和数据的访问。

在讨论单点登录的技术细节之前，先谈谈单点登录的一些好处和风险。好处包括：

• 提高用户的效率。用户不再被多次登录困扰，也不需要记住多个 ID 和密码。另外，用户忘记密码并求助于支持人员的情况也会减少。
• 提高开发人员的效率。SSO 为开发人员提供了一个通用的身份验证框架。实际上，如果 SSO 机制是独立的，那么开发人员就完全不需要为身份验证操心。他们可以假设，只要对应用程序的请求附带一个用户名，身份验证就已经完成了。
• 简化管理。如果应用程序加入了单点登录协议，管理用户帐号的负担就会减轻。简化的程度取决于应用程序，因为 SSO 只处理身份验证。所以，应用程序可能仍然需要设置用户的属性（比如访问特权）。

对于单点登录，经常提到的一些问题包括：

• 难以重构。对 SSO 解决方案进行重构来适应现有的应用程序很困难，很耗费时间而且昂贵。
• 无人看守的桌面。实现 SSO 会减少一些安全风险，但是也增加了其他安全风险。例如，如果用户登录之后离开了他的机器，恶意用户就可以访问他的资源。尽管这是一个普遍存在的安全问题，但是 SSO 会使这个问题更加严重，因为恶意用户可以访问所有获得授权的资源。在采用多次登录方式时，用户每次只能登录进一个系统，所以只有一个资源被泄露。
• 单点攻击。在使用单点登录时，所有应用程序使用一个集中的身份验证服务。对于希望实施拒绝服务攻击的黑客，这是一个有吸引力的目标。

所以，SSO 并非毫无缺点。但是我相信，在用户、管理员和开发人员看来，它的优点要超过缺点。

 

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SSO 开放源码项目

正如前面提到的，我当前正在为一个教育机构构建 Web 门户。这个门户将为参与远程课程的学生提供一个在线学习环境。

这个门户的构造块已经就位了。站点已经建立了，课程内容已经开发出来了，虚拟学习环境也就位了，辅助应用程序（比如日记、日历、电子邮件和笔记本）已经构建好或已经取得。所有这些组件都正在由学生使用，而且每个应用程序都运行在自己的服务器上。

客户现在希望能够通过 Web 浏览器远程访问这些应用程序，所以要构建一个门户来提供访问应用程序的单一入口，门户应该向用户提供单点登录功能。用户登录进门户之后，对他的身份进行验证，然后他就能够访问门户中所有已授权的资源。

我决定搜索一下关于如何实现 SSO 方案的信息，寻找有帮助的白皮书、产品和开放源码项目。我使用以下条件来限制搜索的范围：

• Java 实现。这个门户应用程序基础设施是基于 Java 的，所以我希望 SSO 实现也是基于 Java 语言的。
• 容易实现。在这个场景中，容易实现是指不需要对基础设施或现有的应用程序做大量修改。
• 其效果已经得到证明。它应该已经被一些大型组织采用，而且仍然处于活跃的开发阶段。
• 与 LDAP 兼容。我们的客户使用 Microsoft Active Directory Server，所以我需要系统能够轻松地根据 ADS 进行身份验证。

我很高兴地发现了几个出色的开放源码项目。（参见 参考资料 中的列表。）

我开始使用来自 Yale University 的 CAS（Central Authentication Service）系统开发一个原型，因为它满足我的所有条件。它是基于 Java 的，源代码是开放的。只需使用 JSP 标记和 servlet 过滤器，就能够相当轻松地在 Java 应用程序环境中实现它。Yale University 正在使用它，这说明它的品质满足我的条件。它还允许轻松地改变或扩展实际的身份验证机制（无论是查询数据库还是 LDAP 服务器上的用户名和密码）。

 

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CAS 概述

注意，在采用 CAS 协议时，应用程序不会看到用户的密码。CAS 服务器执行身份验证，只有它能够看到用户的密码。这会增强安全性，因为用户名和密码并不通过网络传递给其他应用程序。

下图说明了在集成了 CAS 服务器的系统中身份验证是如何执行的。

图 1. CAS 协议如何执行身份验证

下面是这个身份验证协议中的主要步骤。

1. 用户尝试使用应用程序的 URL 访问应用程序。用户被重定向到 CAS 登录 URL，采用的是 HTTPS 连接，他请求的服务的名称作为参数传递。这时向用户显示一个用户名/密码对话框。
2. 用户输入 ID 和密码，CAS 对他进行身份验证。如果身份验证失败，目标应用程序根本不会知道这个用户曾经试图访问它 —— 用户在 CAS 服务器上就被拦住了。
3. 如果身份验证成功，CAS 就将用户重定向回目标应用程序，并在 URL 中附加一个称为 ticket 的参数。然后，CAS 尝试创建一个称为 ticket-granting cookie 的内存 cookie。这是为了以后进行自动的重新验证；如果存在这个 cookie，就表示这个用户已经成功地登录了，用户就不需要再次输入他的用户名和密码。
4. 然后，应用程序要检查这个 ticket 是否正确，以及是否代表一个有效用户；检查的方法是，打开一个 HTTPS 连接来调用 CASserviceValidate URL，并作为参数传递 ticket 和服务名称。CAS 检查这个 ticket 是否有效，以及是否与请求的服务相关联。如果检查成功，CAS 就将用户名返回给应用程序。

如果采用 Servlet 2.3 规范进行开发，那么甚至不需要为这些步骤操心。一个 servlet 过滤器会处理整个协议。您要做的只是在 web.xml 文件中配置过滤器参数。我就采用这种方式 —— 它意味着对门户中应用程序代码的修改非常少。

对 CAS 的深入讨论超出了本文的范围，我建议您阅读 参考资料 中列出的来自 Yale University 的文章，从而判断这种身份验证方案是否满足您的需要。

 

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CAS 入门

设置 CAS 软件是非常简单的，但是在开始设置之前，您应该了解我用的一些软件。我只用 Tomcat 4.1、Java Development Kit 1.4 和 Ant 1.5 测试了 CAS。（可以从 参考资料 下载这里提到的文件和客户机库。）

首先，下载 CAS 服务器和客户机库。已经针对许多语言和环境开发了客户机库，包括 Java、ASP、Perl、php 和 PL/SQL。

CAS 使用 HTTPS，所以必须在 Tomcat 中启用这个功能。我发现这需要点儿技巧，但是如果按照我提供的说明（readme_tomcat_ssl.txt 文件）去做，应该不困难。

对 CAS 服务器 ZIP 文件进行解压，并使用 Ant 构建脚本构建 CAS 服务器软件。将 WAR 文件（Web Archives）部署到 Tomcat 的 /webapps 目录中。在启动 Tomcat 时，用 WAR 文件在 Tomcat/webapps 中创建一个 CAS 目录。

下载 CAS 客户机库。对 ZIP 文件进行解压，就会看到许多目录。我要使用的是 Java 客户机库。同样，也提供了 Ant 构建脚本。运行这个构建脚本。这会生成一个称为 casclient.jar 的 JAR 文件。将这个文件复制到 Tomcat 根目录下的 common/lib 目录中。

现在，需要配置应用程序来使用 CAS。本文中用来进行演示的应用程序是 Tomcat 提供的可靠的 “HelloWorld” servlet 示例。这个应用程序应该在 Tomcat 系统中的 /webapps/examples 目录下面。修改 web.xml 文件来配置 servlet 过滤器。

HelloWorld JSP 的 web.xml 文件包含下面的 servlet 过滤器配置。它对 HTTPS 使用本地主机和端口 8443。根据自己的配置修改这些设置。我提供的 zip 文件中包含一个 web.xml 文件示例。

清单 1. HelloWorld JSP 的默认 servlet 过滤器配置

<filter>
    <filter-name>CAS Filter</filter-name>
    <filter-class>edu.yale.its.tp.cas.client.filter.CASFilter</filter-class>
    <init-param>
      <param-name>edu.yale.its.tp.cas.client.filter.loginUrl</param-name>
      <param-value>https://localhost:8443/cas/login</param-value>
    </init-param>
    <init-param>
      <param-name>edu.yale.its.tp.cas.client.filter.validateUrl</param-name>
      <param-value>https://localhost:8443/cas/proxyValidate</param-value>
    </init-param>
    <init-param>
      <param-name>edu.yale.its.tp.cas.client.filter.serverName</param-name>
      <param-value>localhost</param-value>
    </init-param>
  </filter>

  <filter-mapping>
    <filter-name>CAS Filter</filter-name>
    <url-pattern>/*</url-pattern>
  </filter-mapping>

启动 Tomcat。然后输入 URL http://localhost/examples/servlet/HelloWorldExample。这时会重定向到 CAS 登录屏幕。默认的身份验证器只要求为用户名和密码提供相同的字符串，例如在两个域中都输入 demo。然后，就会重定向到 HelloWorld 页面。

这只是个简单的 CAS 演示，但是它说明，通过使用这个强大的 servlet 过滤器，让现有的 Java servlet 应用程序使用 CAS 是多么容易。还可以使用 JSP 标记集替代 servlet 过滤器，这种方法适合那些无法使用 servlet 过滤器的应用程序或应用服务器。

 

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Active Directory Server 身份验证

在我的教育门户项目中，可以很轻松地修改应用程序，因为我能够得到源代码。我在每个应用程序中使用了 servlet 过滤器。在这种情况下，当用户首次访问门户并请求一个受限制的应用程序或数据源时，CAS 将执行身份验证。身份验证成功之后，CAS servlet 过滤器可以检查 ticket，并将用户名作为参数传递给请求的应用程序。我修改了现有的应用程序登录屏幕，让它们在成功的身份验证之后从 CAS 接收用户名参数。然后，应用程序可以使用这个参数对用户进行授权，并对用户的活动进行审计记录。

但是，CAS 本身没有附带任何真正有用的身份验证器。默认的身份验证器仅仅检查用户名和密码是否相同。在教育门户项目中，我使用 Microsoft 的 Active Directory Server 存储用户的个人信息。所以我需要扩展 CAS 服务器，让它根据 Active Directory Server 检查用户名和密码。

Yale University 的 CAS 设计人员开发了一个可插入的身份验证器架构。通过扩展 PasswordHandler 接口，开发人员可以创建一个类来实现密码检查逻辑。

清单 2. CAS 的可插入身份验证器架构

/** Interface for password-based authentication handlers. */
public interface PasswordHandler extends AuthHandler {

  /**
   * Authenticates the given username/password pair, returning true
   * on success and false on failure.
   */
  boolean authenticate(javax.servlet.ServletRequest request,
                       String username,
                       String password);

}

我要做的只是了解如何使用 Active Directory Server 检查用户名和密码，创建一个类来扩展这个接口，并添加执行身份验证的代码。

ADS 是一种与 LDAP3 兼容的目录服务器。它支持许多不同的身份验证方法，主要包括匿名（anonymous）、简单（simple） 和SASL（Simple Authentication and Security Layer）。匿名身份验证不适合我的项目；简单身份验证用明文发送密码，这也不满足需要。所以我使用 SASL。

SASL 支持可插入的身份验证。这意味着可以对 LDAP 客户机和服务器进行配置，让它们相互协商并使用多种身份验证机制之一。下面是当前定义的一部分 SASL 机制：

• Anonymous
• CRAM-MD5
• Digest-MD5
• External
• Kerberos V4
• Kerberos V5
• SecurID
• Secure Remote Password
• S/Key
• X.509

在这些机制中，流行的 LDAP 服务器（比如 Sun、OpenLDAP 和 Microsoft 提供的服务器）都支持 External、Digest-MD5 和 Kerberos V5。

CAS 本身与 Kerberos 相似，它们有许多相同的概念，比如 ticket 和 ticket-granting ticket（在 CAS 中实际上称为 ticket-granting cookie），它们的协议也是相似的。所以，选择 Kerberos 机制似乎是很自然的。另外，添加对 Kerberos 身份验证的支持让 CAS 在未来的开发中能够作为基于 Web 的 Kerberos 代理代表用户，这使 CAS 能够替用户管理 Kerberos ticket 的所有方面。这意味着远程用户也可以使用相同的 Kerberos 身份验证机制访问本地和网络资源。

Kerberos 协议已经内置在 ADS 和 Windows 2000/XP 中。Java Authentication and Authorization Service（JAAS）提供了 Kerberos Login Module 的一个实现（参考资料 中列出的一个教程详细描述了如何建立一个示例应用程序）。精确地说，它是 GSS-API SASL 机制，但是它只为 LDAP3 服务器提供 Kerberos v5 身份验证。

Kerberos 身份验证是一个很简单的过程（如果仔细地按照以下说明进行操作的话）：

1. 在 JAAS 配置文件中为应用程序类配置 Login Module。

   edu.yale.its.tp.cas.auth.provider.KerberosAuthHandler  
   {
   com.sun.security.auth.module.Krb5LoginModule required client=TRUE;
   };

2. 创建一个 LoginContext，传递执行身份验证的类的名称和 CallBackHandler 对象。

   LoginContext lc = new LoginContext(CASApp.class.getName(), 
                       new CASCallbackHandler());

3. 调用 login() 方法来执行身份验证。如果执行过程没有异常，身份验证就成功了。如果抛出了异常，那么这个异常会指出失败的原因。

要想深入了解 Kerberos 身份验证，建议您利用本文末尾的参考资料。（我还提供了自己的实现和配置文件，KerberosAuthHandler 和CASCallBackHandler。）

需要创建一个新的 PasswordHandler 实现，KerberosAuthHandler，它按照上面的方法根据使用 Kerberos v5 的 Active Directory Server 进行身份验证。

清单 3. 创建新的 PasswordHandler 实现

public class KerberosAuthHandler implements PasswordHandler {

  public boolean authenticate(javax.servlet.ServletRequest request,
                                String username,
                                String password) 
  {

    LoginContext lc = null;
	
    try 
    {
	/* Set up the Callback handler, and initialise */
 /* the userid and password fields */

	   CASCallbackHandler ch = new CASCallbackHandler();
	   ch.setUserId(username);
   	   ch.setPassword(password);
		
	   /* Initialise the login context - LoginModule configured */
	   /* in cas_jaas.conf and */
              /* set to use Krb5LoginModule. */
	   lc = new LoginContext(KerberosAuthHandler.class.getName(), ch);

	   /* Perform the authentication */
	   lc.login();

    } 
    catch (LoginException le) 
    {
     System.err.println("Authentication attempt failed" + le);
     return false;
    }
    return true;

  }
}

在创建 LoginContext 时，传递这个类名和 CASCallbackHandler 对象。JAAS 配置文件指定这个类使用的登录模块。

在调用 login() 方法时，登录模块知道为了进行身份验证它需要从用户/应用程序获得哪些信息。在使用 Kerberos 时，它需要用户名和密码，所以它构造一个数组，其中包含两个回调对象（NameCallback 和 PasswordCallback），然后调用 CallbackHandler 对象，这个对象决定如何执行这些回调并获得用户名和密码。

我采用最简单最有利的方式，使用 CallbackHandler 上的 setter 方法显式地设置用户 ID 和密码。然后，CallbackHandler 将它们传递给NameCallback 和 PasswordCallback 对象。

清单 4. 用 setName (CASUserId) 和 setPassword (CASPassword) 设置 ID 和密码

public class CASCallbackHandler implements CallbackHandler 
{

    private String CASUserId;
    private char [] CASPassword;

    public void handle(Callback[] callbacks) 
	throws java.io.IOException, UnsupportedCallbackException {
	    for (int i = 0; i < callbacks.length; i++) {
		if (callbacks[i] instanceof NameCallback) {
		    NameCallback cb = (NameCallback)callbacks[i];
		    cb.setName(CASUserId);

		} else if (callbacks[i] instanceof PasswordCallback) {
		    PasswordCallback cb = (PasswordCallback)callbacks[i];
		    cb.setPassword(CASPassword);

		} else {
		    throw new UnsupportedCallbackException(callbacks[i]);
		}
	    }
    }

    public void setUserId(String userid)
    {
	CASUserId = userid;
    }

    public void setPassword(String password)
    {
	CASPassword = new char[password.length()];
	password.getChars(0, CASPassword.length, CASPassword, 0);
    }

下面要做的是让 CAS 使用新的身份验证处理器。方法是在 webapps/cas 中 CAS 服务器的 web.xml 文件中进行以下设置：

清单 5. 让 CAS 使用新的身份验证处理器

<!-- Authentication handler -->
    <context-param>
        <param-name>edu.yale.its.tp.cas.authHandler</param-name>
        <param-value>
             edu.yale.its.tp.cas.auth.provider.KerberosAuthHandler
        </param-value>
    </context-param>

ZIP 文件（参考资料 中的 KerberosAuthSrc.zip）中包含一个 web.xml 示例。

必须重新启动 Tomcat，但是这一次还需要设置一些 Java 运行时属性。对 ZIP 文件（KerberosAuthSrc.zip）进行解压，并将文件 cas_jaas.conf、krb5.conf 和 setkerberosjvmoptions.bat 复制到 TOMCAT_HOME 目录中。运行 setkerberosjvmoptions.bat，然后启动 Tomcat。

现在，可以再用 HelloWorld 应用程序做实验了。这一次，可以使用 Active Directory Server 中定义的有效的 Kerberos 用户名和密码对。