Tomcat 容器的安全认证和鉴权

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：

<security-constraint> <!-- 安全约束 -->
  <web-resource-collection> <!-- 限制访问的资源集合 -->
    <web-resource-name>HTML Manager commands</web-resource-name>
    <url-pattern>/html/*</url-pattern>
  </web-resource-collection>
  <auth-constraint><!-- 授权可访问此资源集合的角色 -->
     <role-name>manager-gui</role-name>
  </auth-constraint>
</security-constraint>

<login-config><!-- 配置验证方法 -->
  <auth-method>BASIC</auth-method>
  <realm-name>Tomcat Manager Application</realm-name>
</login-config>

<security-role><!-- 定义一个安全角色 -->
  <description>
    The role that is required to access the HTML Manager pages
  </description>
  <role-name>manager-gui</role-name>
</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：

public void invoke(Request request, Response response) throws IOException, ServletException {
  LoginConfig config = this.context.getLoginConfig();
  // 0. Session 对象中是否缓存着一个已经进行身份验证的 Principal
  if (cache) {
    Principal principal = request.getUserPrincipal();
    if (principal == null) {
      Session session = request.getSessionInternal(false);
      if (session != null) {
        principal = session.getPrincipal();
        if (principal != null) {
          request.setAuthType(session.getAuthType());
          request.setUserPrincipal(principal);
        }
      }
    }
  }
  // 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
  String contextPath = this.context.getPath();
  String requestURI = request.getDecodedRequestURI();
  if (requestURI.startsWith(contextPath) && requestURI.endsWith(Constants.FORM_ACTION)) {
          return;
      }
  }
  // 获取安全域对象，默认配置是 LockOutRealm
  Realm realm = this.context.getRealm();
  // 根据请求 URI 尝试获取配置的安全约束
  SecurityConstraint [] constraints = realm.findSecurityConstraints(request, this.context);
 
  if ((constraints == null) /* && (!Constants.FORM_METHOD.equals(config.getAuthMethod())) */ ) {
    // 为 null 表示访问的资源没有安全约束，直接访问下一个阀门
    getNext().invoke(request, response);
    return;
  }
  // 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
  if (disableProxyCaching && 
      !"POST".equalsIgnoreCase(request.getMethod())) {
      if (securePagesWithPragma) {
          response.setHeader("Pragma", "No-cache");
          response.setHeader("Cache-Control", "no-cache");
      } else {
          response.setHeader("Cache-Control", "private");
      }
      response.setHeader("Expires", DATE_ONE);
  }
  int i;
  // 1. 检查用户数据的传输安全约束
  if (!realm.hasUserDataPermission(request, response, constraints)) {
    // 验证失败
    // 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
    return;
  }
  // 2. 检查是否包含授权约束，也就是角色验证
  boolean authRequired = true;
  for(i=0; i < constraints.length && authRequired; i++) {
    if(!constraints[i].getAuthConstraint()) {
      authRequired = false;
    } else if(!constraints[i].getAllRoles()) {
      String [] roles = constraints[i].findAuthRoles();
      if(roles == null || roles.length == 0) {
        authRequired = false;
      }
    }
  }
  // 3. 验证用户名和密码
  if(authRequired) {
    // authenticate 是一个抽象方法，由不同的验证方法实现
    if (!authenticate(request, response, config)) {
      return;
    } 
  }
  // 4. 验证用户是否包含授权的角色
  if (!realm.hasResourcePermission(request, response,constraints,this.context)) {
    return;
  }
  // 5. 已满足任何和所有指定的约束
  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：

<Host name="localhost" ...>
  ...
  <Valve className="org.apache.catalina.authenticator.SingleSignOn"/>
  ...
</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。