单点登录原理

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1 什么是单点登陆

单点登录(Single Sign On),简称为 SSO,是目前比较流行的企业业务整合的解决方案之一。SSO的定义是在多个应用系统中,用户只需要登录一次就可以访问所有相互信任的应用系统。

较大的企业内部,一般都有很多的业务支持系统为其提供相应的管理和IT服务。例如财务系统为财务人员提供财务的管理、计算和报表服务;人事系统为人事部门提供全公司人员的维护服务;各种业务系统为公司内部不同的业务提供不同的服务等等。这些系统的目的都是让计算机来进行复杂繁琐的计算工作,来替代人力的手工劳动,提高工作效率和质量。这些不同的系统往往是在不同的时期建设起来的,运行在不同的平台上;也许是由不同厂商开发,使用了各种不同的技术和标准。如果举例说国内一著名的IT公司(名字隐去),内部共有60多个业务系统,这些系统包括两个不同版本的SAP的ERP系统,12个不同类型和版本的数据库系统,8个不同类型和版本的操作系统,以及使用了3种不同的防火墙技术,还有数十种互相不能兼容的协议和标准,你相信吗?不要怀疑,这种情况其实非常普遍。每一个应用系统在运行了数年以后,都会成为不可替换的企业IT架构的一部分,如下图所示。

随着企业的发展,业务系统的数量在不断的增加,老的系统却不能轻易的替换,这会带来很多的开销。其一是管理上的开销,需要维护的系统越来越多。很多系统的数据是相互冗余和重复的,数据的不一致性会给管理工作带来很大的压力。业务和业务之间的相关性也越来越大,例如公司的计费系统和财务系统,财务系统和人事系统之间都不可避免的有着密切的关系。

为了降低管理的消耗,最大限度的重用已有投资的系统,很多企业都在进行着企业应用集成(EAI)。企业应用集成可以在不同层面上进行:例如在数据存储层面上的“数据大集中”,在传输层面上的“通用数据交换平台”,在应用层面上的“业务流程整合”,和用户界面上的“通用企业门户”等等。事实上,还用一个层面上的集成变得越来越重要,那就是“身份认证”的整合,也就是“单点登录”。

通常来说,每个单独的系统都会有自己的安全体系和身份认证系统。整合以前,进入每个系统都需要进行登录,这样的局面不仅给管理上带来了很大的困难,在安全方面也埋下了重大的隐患。下面是一些著名的调查公司显示的统计数据:

  • 用户每天平均 16 分钟花在身份验证任务上 - 资料来源: IDS

  • 频繁的 IT 用户平均有 21 个密码 - 资料来源: NTA Monitor Password Survey

  • 49% 的人写下了其密码,而 67% 的人很少改变它们

  • 每 79 秒出现一起身份被窃事件 - 资料来源:National Small Business Travel Assoc

  • 全球欺骗损失每年约 12B - 资料来源:Comm Fraud Control Assoc

  • 到 2007 年,身份管理市场将成倍增长至 $4.5B - 资料来源:IDS

 

使用“单点登录”整合后,只需要登录一次就可以进入多个系统,而不需要重新登录,这不仅仅带来了更好的用户体验,更重要的是降低了安全的风险和管理的消耗。请看下面的统计数据:

  • 提高 IT 效率:对于每 1000 个受管用户,每用户可节省$70K

  • 帮助台呼叫减少至少1/3,对于 10K 员工的公司,每年可以节省每用户 $75,或者合计 $648K

  • 生产力提高:每个新员工可节省 $1K,每个老员工可节省 $350 �资料来源:Giga

  • ROI 回报:7.5 到 13 个月 �资料来源:Gartner

 

另外,使用“单点登录”还是SOA时代的需求之一。在面向服务的架构中,服务和服务之间,程序和程序之间的通讯大量存在,服务之间的安全认证是SOA应用的难点之一,应此建立“单点登录”的系统体系能够大大简化SOA的安全问题,提高服务之间的合作效率。

2 单点登陆的技术实现机制

随着SSO技术的流行,SSO的产品也是满天飞扬。所有著名的软件厂商都提供了相应的解决方案。在这里我并不想介绍自己公司(Sun Microsystems)的产品,而是对SSO技术本身进行解析,并且提供自己开发这一类产品的方法和简单演示。颐和园是北京著名的旅游景点,也是我常去的地方。在颐和园内部有许多独立的景点,例如“苏州街”、“佛香阁”和“德和园”,都可以在各个景点门口单独买票。很多游客需要游玩所有德景点,这种买票方式很不方便,需要在每个景点门口排队买票,钱包拿进拿出的,容易丢失,很不安全。于是绝大多数游客选择在大门口买一张通票(也叫套票),就可以玩遍所有的景点而不需要重新再买票。他们只需要在每个景点门口出示一下刚才买的套票就能够被允许进入每个独立的景点。

单点登录的机制也一样,如下图所示,当用户第一次访问应用系统1的时候,因为还没有登录,会被引导到认证系统中进行登录(1);根据用户提供的登录信息,认证系统进行身份效验,如果通过效验,应该返回给用户一个认证的凭据--ticket(2);用户再访问别的应用的时候(3,5)就会将这个ticket带上,作为自己认证的凭据,应用系统接受到请求之后会把ticket送到认证系统进行效验,检查ticket的合法性(4,6)。如果通过效验,用户就可以在不用再次登录的情况下访问应用系统2和应用系统3了。

从上面的视图可以看出,要实现SSO,需要以下主要的功能:

  • 所有应用系统共享一个身份认证系统。

统一的认证系统是SSO的前提之一。认证系统的主要功能是将用户的登录信息和用户信息库相比较,对用户进行登录认证;认证成功后,认证系统应该生成统一的认证标志(ticket),返还给用户。另外,认证系统还应该对ticket进行效验,判断其有效性。

  • 所有应用系统能够识别和提取ticket信息

要实现SSO的功能,让用户只登录一次,就必须让应用系统能够识别已经登录过的用户。应用系统应该能对ticket进行识别和提取,通过与认证系统的通讯,能自动判断当前用户是否登录过,从而完成单点登录的功能。

 

上面的功能只是一个非常简单的SSO架构,在现实情况下的SSO有着更加复杂的结构。有两点需要指出的是:

  • 单一的用户信息数据库并不是必须的,有许多系统不能将所有的用户信息都集中存储,应该允许用户信息放置在不同的存储中,如下图所示。事实上,只要统一认证系统,统一ticket的产生和效验,无论用户信息存储在什么地方,都能实现单点登录。

 

  • 统一的认证系统并不是说只有单个的认证服务器,如下图所示,整个系统可以存在两个以上的认证服务器,这些服务器甚至可以是不同的产品。认证服务器之间要通过标准的通讯协议,互相交换认证信息,就能完成更高级别的单点登录。如下图,当用户在访问应用系统1时,由第一个认证服务器进行认证后,得到由此服务器产生的ticket。当他访问应用系统4的时候,认证服务器2能够识别此ticket是由第一个服务器产生的,通过认证服务器之间标准的通讯协议(例如SAML)来交换认证信息,仍然能够完成SSO的功能。

 

3 WEB-SSO的实现

随着互联网的高速发展,WEB应用几乎统治了绝大部分的软件应用系统,因此WEB-SSO是SSO应用当中最为流行。WEB-SSO有其自身的特点和优势,实现起来比较简单易用。很多商业软件和开源软件都有对WEB-SSO的实现。其中值得一提的是OpenSSO (https://opensso.dev.java.net),为用Java实现WEB-SSO提供架构指南和服务指南,为用户自己来实现WEB-SSO提供了理论的依据和实现的方法。

为什么说WEB-SSO比较容易实现呢?这是有WEB应用自身的特点决定的。

众所周知,Web协议(也就是HTTP)是一个无状态的协议。一个Web应用由很多个Web页面组成,每个页面都有唯一的URL来定义。用户在浏览器的地址栏输入页面的URL,浏览器就会向Web Server去发送请求。如下图,浏览器向Web服务器发送了两个请求,申请了两个页面。这两个页面的请求是分别使用了两个单独的HTTP连接。所谓无状态的协议也就是表现在这里,浏览器和Web服务器会在第一个请求完成以后关闭连接通道,在第二个请求的时候重新建立连接。Web服务器并不区分哪个请求来自哪个客户端,对所有的请求都一视同仁,都是单独的连接。这样的方式大大区别于传统的(Client/Server)C/S结构,在那样的应用中,客户端和服务器端会建立一个长时间的专用的连接通道。正是因为有了无状态的特性,每个连接资源能够很快被其他客户端所重用,一台Web服务器才能够同时服务于成千上万的客户端。

web sso原理如下:

以上方案就是要把信任关系存储在单独的SSO系统(暂且这么称呼它)里,说起来只是简单地从客户端移到了服务端,但其中几个问题需要重点解决:

  • 如何高效存储大量临时性的信任数据

  • 如何防止信息传递过程被篡改

  • 如何让SSO系统信任登录系统和免登系统

  • 如何实现Token的共享传输

  • SSL密匙(java生成,tomcat配置)

对于第一个问题,一般可以采用类似与memcached的分布式缓存的方案,既能提供可扩展数据量的机制,也能提供高效访问。对于第二个问题,一般采取数字签名的方法,要么通过数字证书签名,要么通过像md5的方式,这就需要SSO系统返回免登URL的时候对需验证的参数进行md5加密,并带上token一起返回,最后需免登的系统进行验证信任关系的时候,需把这个token传给SSO系统,SSO系统通过对token的验证就可以辨别信息是否被改过。对于第三个问题,可以通过白名单来处理,说简单点只有在白名单上的系统才能请求生产信任关系,同理只有在白名单上的系统才能被免登录。

以上只是提供了些简单的实现技术,但需要强调的是这只是技术实现而已,仅仅是为了解决上面谈到的一些问题,SSO本身来说并不是什么高科技,有了这个认识比较有利于我们深入探索SSO

 

OAuth是一个关于授权(authorization)的开放网络标准,在全世界得到广泛应用,目前的版本是2.0版。


一、应用场景

为了理解OAuth的适用场合,让我举一个假设的例子。

有一个"云冲印"的网站,可以将用户储存在Google的照片,冲印出来。用户为了使用该服务,必须让"云冲印"读取自己储存在Google上的照片。问题是只有得到用户的授权,Google才会同意"云冲印"读取这些照片。那么,"云冲印"怎样获得用户的授权呢?

传统方法是,用户将自己的Google用户名和密码,告诉"云冲印",后者就可以读取用户的照片了。这样的做法有以下几个严重的缺点。

OAuth就是为了解决上面这些问题而诞生的。

二、名词定义

在详细讲解OAuth 2.0之前,需要了解几个专用名词。它们对读懂后面的讲解,尤其是几张图,至关重要。

Third-party applicationHTTP serviceResource OwnerUser AgentAuthorization serverResource server

三、OAuth的思路

OAuth在"客户端"与"服务提供商"之间,设置了一个授权层(authorization layer)。"客户端"不能直接登录"服务提供商",只能登录授权层,以此将用户与客户端区分开来。"客户端"登录授权层所用的令牌(token),与用户的密码不同。用户可以在登录的时候,指定授权层令牌的权限范围和有效期。

"客户端"登录授权层以后,"服务提供商"根据令牌的权限范围和有效期,向"客户端"开放用户储存的资料。

四、运行流程

OAuth 2.0的运行流程如下图,摘自RFC 6749。

不难看出来,上面六个步骤之中,B是关键,即用户怎样才能给于客户端授权。有了这个授权以后,客户端就可以获取令牌,进而凭令牌获取资源。

下面一一讲解客户端获取授权的四种模式。

五、客户端的授权模式

客户端必须得到用户的授权(authorization grant),才能获得令牌(access token)。OAuth 2.0定义了四种授权方式。

  • 授权码模式(authorization code)

  • 简化模式(implicit)

  • 密码模式(resource owner password credentials)

  • 客户端模式(client credentials)

六、授权码模式

授权码模式(authorization code)是功能最完整、流程最严密的授权模式。它的特点就是通过客户端的后台服务器,与"服务提供商"的认证服务器进行互动。

它的步骤如下:

下面是上面这些步骤所需要的参数。

A步骤中,客户端申请认证的URI,包含以下参数:

  • response_type:表示授权类型,必选项,此处的值固定为"code"

  • client_id:表示客户端的ID,必选项

  • redirect_uri:表示重定向URI,可选项

  • scope:表示申请的权限范围,可选项

  • state:表示客户端的当前状态,可以指定任意值,认证服务器会原封不动地返回这个值。

下面是一个例子。

GET /authorize?response_type=code&client_id=s6BhdRkqt3&state=xyz &redirect_uri=https%3A%2F%2Fclient%2Eexample%2Ecom%2Fcb HTTP/1.1 server.example.com

C步骤中,服务器回应客户端的URI,包含以下参数:

  • code:表示授权码,必选项。该码的有效期应该很短,通常设为10分钟,客户端只能使用该码一次,否则会被授权服务器拒绝。该码与客户端ID和重定向URI,是一一对应关系。

  • state:如果客户端的请求中包含这个参数,认证服务器的回应也必须一模一样包含这个参数。

下面是一个例子。

Location:https://client.example.com/cb?code=SplxlOBeZQQYbYS6WxSbIA &state=xyz

D步骤中,客户端向认证服务器申请令牌的HTTP请求,包含以下参数:

  • grant_type:表示使用的授权模式,必选项,此处的值固定为"authorization_code"。

  • code:表示上一步获得的授权码,必选项。

  • redirect_uri:表示重定向URI,必选项,且必须与A步骤中的该参数值保持一致。

  • client_id:表示客户端ID,必选项。

下面是一个例子。

Host:Authorization:Content-Type: application/x-www-form-urlencoded grant_type=authorization_code&code=SplxlOBeZQQYbYS6WxSbIA &redirect_uri=https%3A%2F%2Fclient%2Eexample%2Ecom%2Fcb

E步骤中,认证服务器发送的HTTP回复,包含以下参数:

  • access_token:表示访问令牌,必选项。

  • token_type:表示令牌类型,该值大小写不敏感,必选项,可以是bearer类型或mac类型。

  • expires_in:表示过期时间,单位为秒。如果省略该参数,必须其他方式设置过期时间。

  • refresh_token:表示更新令牌,用来获取下一次的访问令牌,可选项。

  • scope:表示权限范围,如果与客户端申请的范围一致,此项可省略。

下面是一个例子。

HTTP/1.1 200 OK Content-Type: application/json;charset=UTF-8 Cache-Control: no-store Pragma: no-cache{"access_token""2YotnFZFEjr1zCsicMWpAA" :,"expires_in"3600 :,"example_parameter""example_value"}从上面代码可以看到,相关参数使用JSON格式发送(Content-Type: application/json)。此外,HTTP头信息中明确指定不得缓存。

七、简化模式

简化模式(implicit grant type)不通过第三方应用程序的服务器,直接在浏览器中向认证服务器申请令牌,跳过了"授权码"这个步骤,因此得名。所有步骤在浏览器中完成,令牌对访问者是可见的,且客户端不需要认证。

它的步骤如下:

下面是上面这些步骤所需要的参数。

A步骤中,客户端发出的HTTP请求,包含以下参数:

  • response_type:表示授权类型,此处的值固定为"token",必选项。

  • client_id:表示客户端的ID,必选项。

  • redirect_uri:表示重定向的URI,可选项。

  • scope:表示权限范围,可选项。

  • state:表示客户端的当前状态,可以指定任意值,认证服务器会原封不动地返回这个值。

下面是一个例子。

GET /authorize?response_type=token&client_id=s6BhdRkqt3&state=xyz &redirect_uri=https%3A%2F%2Fclient%2Eexample%2Ecom%2Fcb HTTP/1.1 Host: server.example.com

C步骤中,认证服务器回应客户端的URI,包含以下参数:

  • access_token:表示访问令牌,必选项。

  • token_type:表示令牌类型,该值大小写不敏感,必选项。

  • expires_in:表示过期时间,单位为秒。如果省略该参数,必须其他方式设置过期时间。

  • scope:表示权限范围,如果与客户端申请的范围一致,此项可省略。

  • state:如果客户端的请求中包含这个参数,认证服务器的回应也必须一模一样包含这个参数。

下面是一个例子。

http://example.com/cb#access_token=2YotnFZFEjr1zCsicMWpAA &state=xyz&token_type=example&expires_in=3600

在上面的例子中,认证服务器用HTTP头信息的Location栏,指定浏览器重定向的网址。注意,在这个网址的Hash部分包含了令牌。

根据上面的D步骤,下一步浏览器会访问Location指定的网址,但是Hash部分不会发送。接下来的E步骤,服务提供商的资源服务器发送过来的代码,会提取出Hash中的令牌。

八、密码模式

密码模式(Resource Owner Password Credentials Grant)中,用户向客户端提供自己的用户名和密码。客户端使用这些信息,向"服务商提供商"索要授权。

在这种模式中,用户必须把自己的密码给客户端,但是客户端不得储存密码。这通常用在用户对客户端高度信任的情况下,比如客户端是操作系统的一部分,或者由一个著名公司出品。而认证服务器只有在其他授权模式无法执行的情况下,才能考虑使用这种模式。

它的步骤如下:

B步骤中,客户端发出的HTTP请求,包含以下参数:

  • grant_type:表示授权类型,此处的值固定为"password",必选项。

  • username:表示用户名,必选项。

  • password:表示用户的密码,必选项。

  • scope:表示权限范围,可选项。

下面是一个例子。

POST /token HTTP/1.1 Host: server.example.com Authorization: Basic czZCaGRSa3F0MzpnWDFmQmF0M2JW Content-Type: application/x-www-form-urlencoded grant_type=password&username=johndoe&password=A3ddj3w

C步骤中,认证服务器向客户端发送访问令牌,下面是一个例子。

HTTP/1.1 200 OK Content-Type: application/json;charset=UTF-8 Cache-Control: no-store Pragma: no-cache{"access_token""2YotnFZFEjr1zCsicMWpAA" :,"expires_in"3600 :,"example_parameter""example_value"}上面代码中,各个参数的含义参见《授权码模式》一节。

整个过程中,客户端不得保存用户的密码。

九、客户端模式

客户端模式(Client Credentials Grant)指客户端以自己的名义,而不是以用户的名义,向"服务提供商"进行认证。严格地说,客户端模式并不属于OAuth框架所要解决的问题。在这种模式中,用户直接向客户端注册,客户端以自己的名义要求"服务提供商"提供服务,其实不存在授权问题。

它的步骤如下:

A步骤中,客户端发出的HTTP请求,包含以下参数:

  • granttype:表示授权类型,此处的值固定为"clientcredentials",必选项。

  • scope:表示权限范围,可选项。

认证服务器必须以某种方式,验证客户端身份。

B步骤中,认证服务器向客户端发送访问令牌,下面是一个例子。

HTTP/1.1 200 OK Content-Type: application/json;charset=UTF-8 Cache-Control: no-store Pragma: no-cache{"access_token""2YotnFZFEjr1zCsicMWpAA" :,"expires_in"3600 :

上面代码中,各个参数的含义参见《授权码模式》一节。

十、更新令牌

如果用户访问的时候,客户端的"访问令牌"已经过期,则需要使用"更新令牌"申请一个新的访问令牌。

客户端发出更新令牌的HTTP请求,包含以下参数:

  • granttype:表示使用的授权模式,此处的值固定为"refreshtoken",必选项。

  • refresh_token:表示早前收到的更新令牌,必选项。

  • scope:表示申请的授权范围,不可以超出上一次申请的范围,如果省略该参数,则表示与上一次一致







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