基于JAAS 和智能卡的通用身份認(rèn)證模塊的實(shí)現(xiàn)

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：曾海   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月28日

    一、概述

    傳統(tǒng)的軟件在實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證功能過程中，往往自行開發(fā)專用的認(rèn)證模塊。由于不同的軟件開發(fā)人員在信息安全方面水平參差不齊，實(shí)現(xiàn)的認(rèn)證模塊安全性往往得不到保證。認(rèn)證和授權(quán)應(yīng)當(dāng)同業(yè)務(wù)邏緝分離一個通用的身份認(rèn)證模塊不僅能減輕軟件開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，更能保證認(rèn)證的強(qiáng)度，確保在當(dāng)認(rèn)證方式發(fā)生改變時，應(yīng)用程序不受影響。

    二 JAAS認(rèn)證和授權(quán)服務(wù)

    認(rèn)證和授權(quán)是兩種最基本的安全機(jī)制，認(rèn)證是簡單地對一個實(shí)體的身份進(jìn)行判斷。而授權(quán)則是向?qū)嶓w授予對數(shù)據(jù)資源和信息訪問權(quán)限的決策過程 Java 提供了一項(xiàng)提供認(rèn)證和授權(quán)功能的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。該服務(wù)即 JAAS (Java Authentication AutIlorization Service)。JAAS 強(qiáng)調(diào)通過驗(yàn)證誰在運(yùn)行代碼以及用戶應(yīng)該有的權(quán)限來保護(hù)系統(tǒng)不受攻擊。使用 JAAS 可以把一些標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證服務(wù)。如LDAP(輕量目錄存取協(xié)議)和 Kerberos 等通過一種通用的，可配置的方式集成到系統(tǒng)中。

    認(rèn)證機(jī)制需要參數(shù)是為了確定用戶的身份(對用戶進(jìn)行標(biāo)識)。授權(quán)在認(rèn)證之后進(jìn)行，JAAS框架對由配置文件指定的認(rèn)證模塊進(jìn)行了包裝。如果認(rèn)證成功。就會返回一個包含驗(yàn)證信息的用戶標(biāo)識，認(rèn)證機(jī)制所返回的這個驗(yàn)證信息會用于授權(quán)過程。JAAS 體系結(jié)構(gòu)如圖一所示。其中驗(yàn)證模塊可以通過配置模塊替換。 

圖一

    從身份認(rèn)證的強(qiáng)度來看，基于PKI的智能卡身份驗(yàn)證提供了更好的安全性。因此通用的登錄模塊不使用Java提供的通用模塊，而是實(shí)現(xiàn)了java．security．a(chǎn)uth．spi．LoginMoudle接口的自定義模塊，通過OCF框架存取智能卡，通過智能 實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證過程。 

    三、基于智能卡的身份認(rèn)證實(shí)現(xiàn) 

    智能卡是一種芯片卡，計(jì)算芯片鑲嵌在一張名片大小的塑料卡片上，從而完成數(shù)據(jù)的存儲與計(jì)算。可以通過讀卡器訪問智能卡中的數(shù)據(jù)。智能卡分為接觸式卡和非接觸式卡，接觸式卡中又分為存儲卡和微處理卡，后者更適合基于PKI的身份驗(yàn)證。 

    使用智能卡進(jìn)行身份驗(yàn)證的可用方式包括基于微軟平臺的CSP(Cryptographic Service Provider)、PKCS#11和基于Java的智能卡開發(fā)平臺OCF(Open card Framework)。OCF定義了從Java應(yīng)用環(huán)境到智能卡問的通信標(biāo)準(zhǔn)。 

    從通用的角度看，OCF框架優(yōu)點(diǎn)明顯，它是是一套基于Java的應(yīng)用程序編程接口，把不同的供應(yīng)商的與讀卡器交互的細(xì)節(jié)隱藏起來以簡化編程，主流智能卡廠商均支持OCF框架，Java是跨平臺的語言．因此為驗(yàn)證模塊的運(yùn)行提供了巨大的靈活性。身份認(rèn)證使用了OCF的 CardTerminal 和CardService 層服務(wù)。前者提供了讀卡器的接口API。后者使用File Access Card Service存取卡上文件，使用Signature Card Service提建立和驗(yàn)證數(shù)字簽名．將證書導(dǎo)人智能卡，公鑰導(dǎo)出智能卡。這是身份認(rèn)證模塊的核心功能之一。

    OCF框架下的身份認(rèn)證過程如圖二： 

圖二

    在卡和登錄模塊間的驗(yàn)證方式使用了傳統(tǒng)的使用公鑰加密體制的挑戰(zhàn)/應(yīng)答模式?？ㄉ嫌凶约荷傻腞SA密鑰對。登錄模塊給出一個隨機(jī)數(shù)。智能卡對它進(jìn)行簽名。而登錄模塊驗(yàn)證后就可獲知用戶身份 

    在實(shí)現(xiàn)過程中用戶和公鑰關(guān)聯(lián)以及用戶公鑰分發(fā)均由PKI應(yīng)用系統(tǒng)中的CA完成。CA簽發(fā)數(shù)字證書進(jìn)行了用戶和公鑰關(guān)聯(lián)。證書可以放在用戶卡上。也可以存在LDAP服務(wù)器中。登錄模塊必須有用戶公鑰才能進(jìn)行驗(yàn)證。登錄交互過程如圖三所示。 

圖三

    模塊具體實(shí)現(xiàn)的核心方法是：

    private boolean verifySign () throws java．security．Invalid·KeyExeepfion

    本方法的主要功能是：

    (1)取得智能卡上公私鑰對的存儲位置。

    執(zhí)行數(shù)字簽名的時候需要使用私鑰。雖然智能卡上的私鑰不可導(dǎo)出，但可以取得一個指向私鑰的引用。通過引用進(jìn)行簽名操作。某具體智能卡的密鑰對存儲在3F00：0600：0606，首先得到了密鑰對位置：

    CardFilePath EF_key=new CardFilePath(“：3F00：0600：0606”)；
    CardFilePath DF=new CardFilePatll (“：3F00：0600”)；

    智能卡中密鑰對只能通過智能卡操作系統(tǒng)引用，而不能使用普通的密鑰對引用方式，只能使用GPKSignatureKeyFile取到卡上密鑰對引用：

    GPKSignatureKeyFile KeyFfle = new GPKSignatureKeyFile
    (ef_key，512，GPKRSAKeyFile．UNCERTIFIED_KEY)；

    (2)生成用于挑戰(zhàn)的隨機(jī)數(shù)。隨機(jī)數(shù)生成利用了ScureRandom類，本類是一個高強(qiáng)度偽隨機(jī)數(shù)生成器，即PRNG(pseudo-random number generator)，它保證每次輸出的值沒有任何規(guī)律， 即符合RFC 1750 (Randomness Recommendations for Security)。使用時比較簡單：
    SecureRandom random=new SecureRandom();

    Random．nextBytes(dataToSign)；

    (3)利用卡上的簽名功能對隨機(jī)數(shù)進(jìn)行簽名 

    a．取得智能卡上的簽名服務(wù)引用GPKSignatureService(GPKSignatureService)sm．getCardServiee(SignatureCardService．class，false)；
    b．調(diào)用簽名方法signData，其中參數(shù)分別是密鑰文件(在步驟a中取得)、智能卡支持的簽名方法、智能卡支持的填充方式和待簽數(shù)據(jù)； 

 byte 口signature1=ArtificalCardVerifys．signData (KeyFile，GPKStandardNames．MD5_RSA．GPKStandardNames．PKCS_PADDING，data To Sign)；

    其中PKCS padding標(biāo)準(zhǔn)的定義是：必須在被加密的數(shù)據(jù)后添加額外的字節(jié)，使加密后的數(shù)據(jù)長度為加密塊長度的整數(shù)倍。第二個參數(shù)指明了采用PKCS填充方式：簽后的數(shù)據(jù)存放在signaturel里，即挑戰(zhàn)得到的響應(yīng)。

    (4)驗(yàn)證用戶數(shù)字證書是否正確

    a．取得用戶數(shù)字證書

    本設(shè)計(jì)中CA簽名的證書存放在3F00：0500：0503位置上，直接使用GPK智能卡的文件系統(tǒng)服務(wù)GPKFileAccessService中read方法：facs．read(file．getPath()，0，file．getLength()) 

    讀出證書文件后，強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為java．security．cert．Certificate，形成證書對象cardSignedCert(1ltiiE書由CA向用戶頒發(fā)．可以從智能卡內(nèi)獲得,也可以從LDAP服務(wù)器中取得)： 

    b．取得CA數(shù)字證書 

    本設(shè)計(jì)中CA證書存放在LDAP服務(wù)器的根節(jié)點(diǎn)上，通過JNDI操作取得證書對象iava．security．cert．Certificate對象cac； 

    c．從CA證書中取得公鑰(get Public Key方法)： 

    d．使用被驗(yàn)證證書對象的verify()方法，驗(yàn)證cardSignedCert是否由cac簽發(fā)，如果驗(yàn)證失敗則拋出異常返回；

    (5)驗(yàn)證挑戰(zhàn)，響應(yīng)的結(jié)果是否正確

    第3步工作得到響應(yīng)數(shù)據(jù)signaturel．第4步工作驗(yàn)證了用戶公鑰和用戶名是對應(yīng)的。原始的挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)在dataToSign中；這里需要驗(yàn)證響應(yīng)數(shù)據(jù)是否正確．工作步驟如下：
    a．取得原始挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)dataToSign：
    b．取得簽名signaturel：
    e．取得客戶的公鑰，取得方法是eardSignedCert．getPublicK．ey()；
    d．調(diào)用方法verifySignedData()，此方法帶四個參數(shù)，第一個是智能卡上存公鑰的位置，第二個是簽名算法名，第三個是原始數(shù)據(jù)，第四個是簽名數(shù)據(jù)，方法拋出openeard．core．service．Card．ServiceException異常和InvalidKeyException異常。調(diào)用的核心語句是：
vefifySignedData (KeyFile，MD5withRSA，dataToSign，signature1)
    調(diào)用返回true表示挑戰(zhàn)／響應(yīng)過程成功?？梢赞D(zhuǎn)向 commit 方法提交用戶身份

    四、智能卡認(rèn)證結(jié)果的傳遞

    驗(yàn)證模塊APPlet 嵌入在ASP或者ASP．NET制作的登錄網(wǎng)頁中，該模塊驗(yàn)證成功后應(yīng)該把登錄信息傳遞給業(yè)務(wù)系統(tǒng)首頁。這里使用JSObjec類來解決 Applet 的信息向動態(tài)網(wǎng)頁傳遞的問題。 

圖四

    (1)Applet 向登錄網(wǎng)頁傳參數(shù)

    從APPlet 的角度來看，驗(yàn)證模塊調(diào)用login方法成功后取得Subject(同時取得了用戶名和登錄成功的狀態(tài))。這里把用戶名和登錄狀態(tài)先傳給JSObject．JSObjeet的方法允許Applet與文檔對象交互，并調(diào)用javascript函數(shù)。在Applet中加入下列代碼：Drivate JSObject win；//說明一個JSObject對象win=JSObject．getWindow(this)：/ 和當(dāng)前腳本環(huán)境建立聯(lián)系JSObject可以調(diào)用腳本環(huán)境中的函數(shù)，利用此特性可以把用戶名和驗(yàn)證成功的狀態(tài)傳遞給腳本函數(shù)fillin．調(diào)用時使用的代碼如下：
    args[0]=username；
    agrs[1]=“success”；
    win．call(“fillin”,args)；
    (2)網(wǎng)頁接受Applet的參數(shù)并填人表單域
    從腳本角度來看，需要定義一個函數(shù)fillin接受來自Applet的參數(shù)，該函數(shù)帶有兩個參數(shù)分別對應(yīng)用戶名和驗(yàn)證狀態(tài)，函數(shù)的代碼實(shí)現(xiàn)如下：
    function fiUin(namel，status1)
    {artiticatCardVerify．LoginName．value=name1；artificalCardVerify．status．value=statusl；)
    其中artificalCardVerify是驗(yàn)證網(wǎng)頁中的表單名．LoginName是用戶名，在網(wǎng)頁上不能修改；status是狀態(tài)域，屬性為隱藏，它用于業(yè)務(wù)網(wǎng)頁判斷來源是否合法：表單提交后轉(zhuǎn)向業(yè)務(wù)網(wǎng)頁：
    <form method=“POST”action=“artificalCardVerify_login_redirect．a(chǎn)sp”name=“artificalCardVerify”>

    (3)業(yè)務(wù)網(wǎng)頁視圖
    業(yè)務(wù)網(wǎng)頁用ASP或者ASP．NET編寫,接受來自登錄網(wǎng)頁的提交。業(yè)務(wù)網(wǎng)頁首先檢查是否登錄成功(status域?yàn)镾uccess、用戶名不為空)，從業(yè)務(wù)權(quán)限表取得該用戶對應(yīng)的業(yè)務(wù)權(quán)限后，進(jìn)入正常業(yè)務(wù)邏緝。

    五、結(jié)語：

    在具有完備PKI 基礎(chǔ)的應(yīng)用環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)基于JAAS 和智能卡的通用身份認(rèn)證模塊能夠?qū)I(yè)務(wù)系統(tǒng)中的認(rèn)證模塊分離出來。提高驗(yàn)證的安全級別，方便開發(fā)者使用和維護(hù)。作為一個可撥插模塊，任何 Web 應(yīng)用程序都可以將此模塊植入。使用的代碼極少，而安全級別很高。隨著智能卡技術(shù)的不斷發(fā)展，使用Java 智能卡將能進(jìn)一步提高驗(yàn)證的安全性和靈活性。