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rikako-note/spring/Spring Security/Spring Security.md
Rikako Wu e8484aa581 日常提交
2022-10-09 23:26:14 +08:00

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Spring Security

Spring Security简介

Spring Security作为一个安全框架，向使用者提供了用户认证、授权、常规攻击保护等功能。

Spring Security自动配置

默认情况下，在引入Spring Security的启动器依赖之后，Spring Boot自动配置会做如下工作：

  • 启用Spring Security的默认配置，创建一个的bean对象，bean对象名称为“springSecurityFilterChain”，bean对象类型为SecurityFilterChain，实现了Filter。该bean对象为负责应用中所有与安全相关的操作（例如验证提交的username和password，保护应用的url等）
  • 创建一个UserDetailsService的bean对象，并且产生一个为”user“的username和一个随机产生的password，随机产生的password会输出在console日志中
  • 将名为springSecurityFilterChain的bean对象注册到servlet容器中，用来对每个servlet请求进行处理

Spring Security会通过Spring Security会通过BCtypt（Hash解密算法）来对密码的存储进行保护

Spring Security结构

DelegatingFilterProxy

Spring提供了Filter的一个实现类DelegatingFilterProxy，其将Servlet容器的生命周期和Spring的ApplicationContext连接在一起。
DelegatingFilterProxy会通过标准的servlet容器机制被注册，但是将所有工作都委托给Spring容器中实现了Filter的bean对象。

DelegatingFilterProxy会在ApplicationContext中查找实现了Filter的bean对象，并且调用该bean对象的doFilter方法

public void doFilter(ServletRequest request, 
   ServletResponse response, FilterChain chain) {
  // Lazily get Filter that was registered as a Spring Bean
  // For the example in DelegatingFilterProxy delegate is an instance of Bean Filter0
  Filter delegate = getFilterBean(someBeanName);
  // delegate work to the Spring Bean
  delegate.doFilter(request, response);
}

FilterChainProxy

Spring Security支持FilterChainProxy，FilterChainProxy是一个由Spring Security提供的特殊Filter，FilterChainProxy通过SecurityFilterChain允许向多个Filters委托工作。
FilterChainProxy是一个bean对象，通过被包含在DelegatingFilterProxy中。

SecurityFilterChain

SecurityFilterChain通常被FilterChainProxy使用，用来决定在该次请求中调用那些Spring Security Filters。

SecurityFilters

Security Filters通过SecurityFilterChain API被插入到FilterChainProxy中。

处理Security异常

ExceptionTranslationFilter将认证异常和权限异常翻译为http response。

ExceptionTranslationFilter被插入到FilterChainProxy中，作为SecurityFilterChain中的一个。
如果应用程序没有抛出AccessDeniedException或AuthenticationException，那么ExceptionTranslationFilter并不会做任何事情。

// ExceptionTranslationFilter的伪代码
try {
	filterChain.doFilter(request, response); 
} catch (AccessDeniedException | AuthenticationException ex) {
	if (!authenticated || ex instanceof AuthenticationException) {
		startAuthentication(); 
	} else {
		accessDenied(); 
	}
}

Spring Security身份认证的结构

SecurityContextHolder

Spring Security身份认证的核心模型，SecurityContextHolder包含有SecurityContext。

Spring Security将被认证用户的详细信息（details）存储在SecurityContextHolder中。Spring Security不在乎该SecurityContextHolder是如何被填充的，只要该SecurityContextHolder有值，那么其将会被用作当前已经被认证的用户。

将用户标识为已认证的最简单的方法是为该用户设置SecurityContextHolder。

// 设置SecurityContextHolder
SecurityContext context = SecurityContextHolder.createEmptyContext();
Authentication authentication =
    new TestingAuthenticationToken("username", "password", "ROLE_USER");
context.setAuthentication(authentication);

SecurityContextHolder.setContext(context);

默认情况下，SecurityContextHolder通过ThreadLocal来存储SecurityContext，故而SecurityContext对于位于同一线程之下的方法来说都可以访问。

使用ThreadLocal来存储SecurityContext是相当安全的，如果想要在该已认证主体的请求被处理完成之后清除SecurityContext，Spring Security中的FilterChainProxy会保证该SecurityContext被清除。

SecurityContext

SecurityContext从SecurityContextHolder中获得，SecurityContext中含有Authentication对象。

Authentication

Authentication在Spring Security中具有两个目的：

  • 作为AuthenticationManager的输入，用于提供待认证用户的认证凭证。当用于该场景下时，isAuthenticated()方法返回值应该为false
  • 代表当前已经认证过的用户。当前的Authentication可以从SecurityContext中获取，而默认情况下SecurityContext是存储在ThreadLocal中的

Authentication含有如下部分：

  • 主体（principal）：用于标识用户，当通过username/password进行认证时，其通常是UserDetails类的实例
  • 凭据（credentials）：通常是password，在许多场景下凭据会在用户认证成功之后被清空，为了保证凭据不会被泄露
  • 权限（authorities）：该GrantedAuthority集合是用户被授予的高层次许可。许可通常是用户角色或者作用域范围。

GrantedAuthority

GrantedAuthority是用户被授予的高层次许可，譬如用户角色或者作用域范围。
GrantedAuthority可以通过Authentication.getAuthorities()方法来获得，该方法会返回一个GrantedAuthentication的集合。每个GrantedAuthentication都是一项被授予该用户的权限。

AuthenticationManager

AuthenticationManager的API定义了Security Filters如何来执行身份认证。对于身份认证返回的Authentication，会被调用AuthenticationManager的controller设置到SecurityContextHolder中。

AuthenticationManager的实现可以是任何类，但是最通用的实现仍然是ProviderManager

ProviderManager

ProviderManager是AuthenticationManager的最通用实现。ProviderManager将工作委托给一系列AuthenticationProvider。

对于每个ProviderManager，都可以决定将该认证标识为成功、失败，或者将认证工作委托给下游AuthenticationProvider。 如果所有的AuthenticationProvider都没有将该认证标识为成功或者失败，那么整个认证流程失败，并且抛出ProviderNotFoundException异常。
ProviderNotFoundException是一个特殊的AuthenticationException，该异常代表对传入Authentication的类型并没有配置该类型的ProviderManager

在实践中，每个AuthenticationProvider知道如何处理一种特定类型的Authentication

默认情况下，ProviderManager在认证请求成功后会尝试清除返回的Authentication对象中任何敏感的凭据信息，这将会保证password等敏感信息保存时间尽可能地短，减少泄露的风险。

AuthenticationProvider

复数个AuthenticationProvider可以被注入到ProviderManager中，每个AuthenticationProvider可以负责一种专门类型的认证，例如DaoAuthenticationProvider负责username/password认证，JwtAuthenticationProvider负责jwt token的认证。

AuthenticationEntryPoint

AuthenticationEntryPoint用来发送一个Http Response，用来向客户端请求认证凭据。
某些情况下，客户端在请求资源时会主动在请求中包含凭据，如username/password等。在这种情况下，服务端并不需要再专门发送Http Response来向客户端请求认证凭据。

AuthenticationEntryPoint用来向客户端请求认证凭据，AuthenticationEntryPoint的实现可能会执行一个从定向操作，将请求重定向到一个登录页面用于获取凭据，并且返回一个WWW-Authentication Header。

AbstractAuthenticationProcessingFilter

该类作为base filter用来对用户的凭据进行认证。再凭据被认证之前，Spring Security通常会通过AuthenticationEntryPoint向客户端请求认证凭据。
之后，AbstractAuthenticationProcessingFilter会对提交的任何认证请求进行认证。

认证流程

  1. 当用户提交认证凭据之后，AbstractAuthenticationProcesingFilter会根据HttpServletRequest对象创建一个Authentication对象用于认证，该Authentication的类型取决于AbstractAuthenticationProcessingFilter的子类类型。例如，UsernamePasswordAuthenticationFilter会通过提交request中的username和password创建UsernamePasswordAuthenticationToken。
  2. 然后将构建产生的Authentication对象传入到AuthenticationManager中，进行认证
  3. 如果认证失败，那么会失败，SecurityContextHolder会被清空，RememberMeService.logFail方法将会被调用，AuthenticationFailureHandler也会被调用
  4. 如果认证成功，那么SessionAuthenticationStrategy将会收到登录的通知
  5. 该Authentication对象再认证成功之后将会被设置到SecurityContextHolder中
  6. RemeberMeService.logSuccess将会被调用
  7. ApplicationEventPublisher发布InteractiveAuthenticationSuccessEvent.
  8. AuthenticationSuccessHandler被调用

用户名/密码认证

Form Login

Spring Security为以表单形式提供的用户名和密码认证提供支持。

用户被重定向到登录页面的过程

  1. 用户发送了一个没有经过身份认证的请求到指定资源，并且待请求的资源对该用户来说是未授权的
  2. Spring Security中FilterSecurityInterceptor抛出AccessDeniedException，代表该未授权的请求被拒绝
  3. 因为该用户没有经过认证，故而ExceptionTransactionFilter发起了开始认证的过程，并且使用配置好的AuthenticationEntryPoint向登录页面发起了重定向。在大多数情况下AuthenticationEntryPoint都是LoginUrlAuthenticationEntryPoint
  4. 浏览器接下来会请求重定向到的登陆页面

当用户名和密码提交后，UsernamePasswordAuthenticationFilter会对username和password进行认证。UsernamePasswordAuthenticationFilter继承了AbstractAuthenticationProcessingFilter。

认证用户名和密码过程

  1. 当用户提交了其用户名和密码之后，UsernamePasswordAuthenticationFilter会创建一个UsernamePasswordAuthenticationToken
  2. 创建的UsernamePasswordAuthenticationToken会传入AuthenticationManager中进行认证
  3. 如果认证失败，那么SecurityContextHolder会被清除，RememberMeService.logFailure和AuthenticationFailureHandler会被调用
  4. 如果认证成功，那么SessionAuthenticationStrategy将会收到登录的通知，RemeberMeService.logSuccess和AuthenticationSuccessHandler会被调用，ApplicationEventPublisher发布InteractiveAuthenticationSuccessEvent

Spring Security Form Login默认情况下是开启的，但是，一旦任何基于servlet的配置被提供，那么基于表单的login也必须要显式指定。

// 显式指定form login的配置
@Bean
public SecurityFilterChain filterChain(HttpSecurity http) {
	http
		.formLogin(withDefaults());
	// ...
}

如果想要自定义login form page，可以使用如下配置

public SecurityFilterChain filterChain(HttpSecurity http) {
	http
		.formLogin(form -> form
			.loginPage("/login")
			.permitAll()
		);
	// ...
}

基本Authentication

基本Authentication的认证流程

  1. 用户向私有资源发送未认证请求，其中对私有资源的访问并没有被授权
  2. SpringSecurity的FilterSecurityInterceptor表明该未认证的请求被拒绝访问，抛出AccessDeniedException
  3. 由于该请求没有经过身份认证，故而ExceptionTranslationFilter启动身份认证，被配置好的AuthenticationEntryPoint是一个BasicAuthenticationEntryPoint类的实例，该实例会发送WWW-Authentication的header。RequestCache通常是一个NullRequestCache，不会保存任何的http request请求，因为客户端能够重新发送其原来发送过的请求。
  4. 当客户端获取到WWW-Authentication的header，客户端会知道其接下来会通过username和password重新尝试，重新发送http请求。

默认情况下，basic authentication是被开启的。但是，如果有任何基于基于servlet的配置被提供，那么必须通过如下方式显式开启basic authentication。

@Bean
public SecurityFilterChain filterChain(HttpSecurity http) {
	http
		// ...
		.httpBasic(withDefaults());
	return http.build();
}

Digest Authentication(摘要认证，不安全)

在目前，不应该在现代应用程序中使用Digest Authentication，因为使用摘要认证时必须将password通过纯文本、加密或MD5的格式存储（MD5已经被证实不安全）。相对的，应该使用单向的密码散列（如bCrypt, PBKDF2, SCrypt）来存储认证凭证，但是这些都不被Digest Authentication所支持。

摘要认证主要用来解决Basic Authentication中存在的问题，摘要认证确保了认证凭证在网络上不会以明文的方式传输。 如果想要使用非https的方式并且最大限度的加强认证过程，那么可以考虑使用Digest Authentication。

摘要认证中的随机数

摘要认证中的核心是随机数，该随机数的值由服务端产生，Spring Security中随机数次啊用如下格式：

base64(expirationTime + ":" + md5Hex(expirationTime + ":" + key))
expirationTime:   The date and time when the nonce expires, expressed in milliseconds
key:              A private key to prevent modification of the nonce token

需要为存储不安全的密码文本配置使用NoOpPasswordEncoder。可以通过如下方式来配置Digest Authentication。

@Autowired
UserDetailsService userDetailsService;

DigestAuthenticationEntryPoint entryPoint() {
	DigestAuthenticationEntryPoint result = new DigestAuthenticationEntryPoint();
	result.setRealmName("My App Relam");
	result.setKey("3028472b-da34-4501-bfd8-a355c42bdf92");
}

DigestAuthenticationFilter digestAuthenticationFilter() {
	DigestAuthenticationFilter result = new DigestAuthenticationFilter();
	result.setUserDetailsService(userDetailsService);
	result.setAuthenticationEntryPoint(entryPoint());
}

@Bean
public SecurityFilterChain filterChain(HttpSecurity http) throws Exception {
	http
		// ...
		.exceptionHandling(e -> e.authenticationEntryPoint(authenticationEntryPoint()))
		.addFilterBefore(digestFilter());
	return http.build();
}

密码存储方式

内存中存储密码

Spring Security中InMemoryUserDetailsManager实现了UserDetailsService，用于向基于存储在内存中的密码认证提供支持。
InMemoryUserDetailsManager通过实现UserDetailsManager接口来提供对UserDetails的管理。基于UserDetails的认证主要用来接受基于用户名/密码的认证。
InMemoryUserDetailsManager可以通过如下方式进行配置：

@Bean
public UserDetailsService users() {
	UserDetails user = User.builder()
		.username("user")
		.password("{bcrypt}$2a$10$GRLdNijSQMUvl/au9ofL.eDwmoohzzS7.rmNSJZ.0FxO/BTk76klW")
		.roles("USER")
		.build();
	UserDetails admin = User.builder()
		.username("admin")
		.password("{bcrypt}$2a$10$GRLdNijSQMUvl/au9ofL.eDwmoohzzS7.rmNSJZ.0FxO/BTk76klW")
		.roles("USER", "ADMIN")
		.build();
	return new InMemoryUserDetailsManager(user, admin);
}

内存中存储密码时使用defaultPasswordEncoder

通过defaultPasswordEncoder来指定密码编码器时，无法防止通过反编译字节码来获取密码的攻击。

@Bean
public UserDetailsService users() {
	// The builder will ensure the passwords are encoded before saving in memory
	UserBuilder users = User.withDefaultPasswordEncoder();
	UserDetails user = users
		.username("user")
		.password("password")
		.roles("USER")
		.build();
	UserDetails admin = users
		.username("admin")
		.password("password")
		.roles("USER", "ADMIN")
		.build();
	return new InMemoryUserDetailsManager(user, admin);
}

JDBC Authentication

Spring Security的JdbcDaoImpl实现了UserDetailsService来基于username/password的认证提供从jdbc获取密码的支持。JdbcUserDetailsManager继承了JdbcDaoImpl来通过DetailsManager的接口提供对UserDetails的管理。
Spring Security为基于jdbc的认证提供了默认的查询语句。

User Schema

JdbcDaoImpl需要数据表来导入密码、账户状态和用户的一系列权限。JdbcDaoImpl默认需要的schema如下：

# 创建用户表和权限表，并且将用户表和权限表之间用外键关联
#	用户表需要提供username、password、用户状态
#	权限表需要提供用户名和权限名称
create table users(
	username varchar_ignorecase(50) not null primary key,
	password varchar_ignorecase(500) not null,
	enabled boolean not null
);

create table authorities (
	username varchar_ignorecase(50) not null,
	authority varchar_ignorecase(50) not null,
	constraint fk_authorities_users foreign key(username) references users(username)
);
create unique index ix_auth_username on authorities (username,authority);

Group Schema

如果你的程序中使用了Group，那么还额外需要一张group的表，默认如下：

# 如果要为group配置权限，需要引入三张表，group表，权限表和group_member表
create table groups (
	id bigint auto_increment primary key,
	group_name varchar_ignorecase(50) not null
);

create table group_authorities (
	group_id bigint not null,
	authority varchar(50) not null,
	constraint fk_group_authorities_group foreign key(group_id) references groups(id)
);

create table group_members (
	id bigint auto_increment primary key,
	username varchar(50) not null,
	group_id bigint not null,
	constraint fk_group_members_group foreign key(group_id) references groups(id)
);

配置Datasource

//  生产环境时，应该通过对外部数据库的连接来建立数据源
@Bean
DataSource dataSource() {
	return new EmbeddedDatabaseBuilder()
		.setType(H2)
		.addScript(JdbcDaoImpl.DEFAULT_USER_SCHEMA_DDL_LOCATION)
		.build();
}

创建JdbcUserDetailsManager Bean对象

@Bean
UserDetailsManager users(DataSource dataSource) {
	UserDetails user = User.builder()
		.username("user")
		.password("{bcrypt}$2a$10$GRLdNijSQMUvl/au9ofL.eDwmoohzzS7.rmNSJZ.0FxO/BTk76klW")
		.roles("USER")
		.build();
	UserDetails admin = User.builder()
		.username("admin")
		.password("{bcrypt}$2a$10$GRLdNijSQMUvl/au9ofL.eDwmoohzzS7.rmNSJZ.0FxO/BTk76klW")
		.roles("USER", "ADMIN")
		.build();
	JdbcUserDetailsManager users = new JdbcUserDetailsManager(dataSource);
	users.createUser(user);
	users.createUser(admin);
	return users;
}