大量的 Web 應用都有安全相關的需求，正因如此，Servlet 規范建議容器要有滿足這些需求的機制和基礎設施，所以容器要對以下安全特性予以支持：

• 身份驗證：驗證授權用戶的用戶名和密碼
• 資源訪問控制：限制某些資源只允許部分用戶訪問
• 數據完整性：能夠證明數據在傳輸過程中未被第三方修改
• 機密性或數據隱私：傳輸加密(SSL)，確保信息只能被信任用戶訪問

本文就以上問題，對 Tomcat 容器提供的認證和鑒權的設計與實現，以及內部單點登錄的原理進行分析。首發于微信公眾號頓悟源碼。

1. 授權

容器和 Web 應用采用的是基于角色的權限訪問控制方式，其中容器需要實現認證和鑒權的功能，而 Web 應用則要實現授權的功能。

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在 Servlet 規范中描述了兩種授權方式：聲明式安全和編程式安全。聲明式安全就是在部署描述符中聲明角色、資源訪問權限和認證方式。以下代碼片段摘自 Tomcat 自帶的 Manager 應用的 web.xml：

<security-constraint> <!-- 安全約束 --> 
  <web-resource-collection> <!-- 限制訪問的資源集合 --> 
    <web-resource-name>HTML Manager commands</web-resource-name> 
    <url-pattern>/html/*</url-pattern> 
  </web-resource-collection> 
  <auth-constraint><!-- 授權可訪問此資源集合的角色 --> 
     <role-name>manager-gui</role-name> 
  </auth-constraint> 
</security-constraint> 
 
<login-config><!-- 配置驗證方法 --> 
  <auth-method>BASIC</auth-method> 
  <realm-name>Tomcat Manager Application</realm-name> 
</login-config> 
 
<security-role><!-- 定義一個安全角色 --> 
  <description> 
    The role that is required to access the HTML Manager pages 
  </description> 
  <role-name>manager-gui</role-name> 
</security-role> 

這些安全相關的配置，都會在應用部署時，初始化和設置到 StandardContext 對象中。更多詳細的內容可查看規范對部署描述文件的解釋，接下來看 Tomcat 怎么設計和實現認證及鑒權。

2. 認證和鑒權的設計

Servlet 規范雖然描述了 Web 應用聲明安全約束的機制，但沒有定義容器與關聯用戶和角色信息之間的接口。因此，Tomcat 定義了一個 Realm 接口，用于適配身份驗證的各種信息源。整體設計的類圖如下：

上圖中，包含了各個類的核心方法，關鍵類或接口的作用如下：

• Realm - 譯為域，域有泛指某種范圍的意思，在這個范圍內存儲著用戶名、密碼、角色和權限，并且提供身份和權限驗證的功能，典型的這個范圍可以是某個配置文件或數據庫
• CombinedRealm - 內部包含一個或多個 Realm，按配置順序執行身份驗證，任一 Realm 驗證成功，則表示成功驗證
• LockOutRealm - 提供用戶鎖定機制，防止在一定時間段有過多身份驗證失敗的嘗試
• Authenticator - 不同身份驗證方法的接口，主要有 BASIC、DIGEST、FORM、SSL 這幾種標準實現
• Principal - 對認證主體的抽象，它包含用戶身份和權限信息
• SingleSignOn - 用于支持容器內多應用的單點登錄功能

2.1 初始化

Realm 是容器的一個可嵌套組件，可以嵌套在 Engine、Host 和 Context 中，并且子容器可以覆蓋父容器配置的 Realm。默認的 server.xml 在 Engine 中配置了一個 LockOutRealm 組合域，內部包含一個 UserDatabaseRealm，它從配置的全局資源 conf/tomcat-users.xml 中提取用戶信息。

web.xml 中聲明的安全約束會初始化成對應的 SecurityConstraint、SecurityCollection 和 LoginConfig 對象，并關聯到一個 StandardContext 對象。

在上圖可以看到，AuthenticatorBase 還實現了 Valve 接口，StandardContext 對象在配置的過程中，如果發現聲明了標準的驗證方法，那么就會把它加入到自己的 Pipeline 中。

3. 一次請求認證和鑒權過程

Context 在 Tomcat 內部就代表著一個 Web 應用，假設配置使用 BASIC 驗證方法，那么 Context 內部的 Pipeline 就有 BasicAuthenticator 和 StandardContextValve 兩個閥門，當請求進入 Context 管道時，就首先進行認證和鑒權，方法調用如下：

整個過程的核心代碼就在 AuthenticatorBase 的 invoke 方法中：

public void invoke(Request request, Response response) throws IOException, ServletException { 
  LoginConfig config = this.context.getLoginConfig(); 
  // 0. Session 對象中是否緩存著一個已經進行身份驗證的 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); 
        } 
      } 
    } 
  } 
  // 對于基于表單登錄，可能位于安全域之外的特殊情況進行處理 
  String contextPath = this.context.getPath(); 
  String requestURI = request.getDecodedRequestURI(); 
  if (requestURI.startsWith(contextPath) && requestURI.endsWith(Constants.FORM_ACTION)) { 
          return; 
      } 
  } 
  // 獲取安全域對象，默認配置是 LockOutRealm 
  Realm realm = this.context.getRealm(); 
  // 根據請求 URI 嘗試獲取配置的安全約束 
  SecurityConstraint [] constraints = realm.findSecurityConstraints(request, this.context); 
  
  if ((constraints == null) /* && (!Constants.FORM_METHOD.equals(config.getAuthMethod())) */ ) { 
    // 為 null 表示訪問的資源沒有安全約束，直接訪問下一個閥門 
    getNext().invoke(request, response); 
    return; 
  } 
  // 確保受約束的資源不會被 Web 代理或瀏覽器緩存，因為緩存可能會造成安全漏洞 
  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. 檢查用戶數據的傳輸安全約束 
  if (!realm.hasUserDataPermission(request, response, constraints)) { 
    // 驗證失敗 
    // Authenticator已經設置了適當的HTTP狀態代碼，因此我們不必做任何特殊的事情 
    return; 
  } 
  // 2. 檢查是否包含授權約束，也就是角色驗證 
  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. 驗證用戶名和密碼 
  if(authRequired) { 
    // authenticate 是一個抽象方法，由不同的驗證方法實現 
    if (!authenticate(request, response, config)) { 
      return; 
    }  
  } 
  // 4. 驗證用戶是否包含授權的角色 
  if (!realm.hasResourcePermission(request, response,constraints,this.context)) { 
    return; 
  } 
  // 5. 已滿足任何和所有指定的約束 
  getNext().invoke(request, response); 
} 

另外，AuthenticatorBase 還有一個比較重要的 register() 方法，它會把認證后生成的 Principal 對象設置到當前 Session 中，如果配置了SingleSignOn 單點登錄的閥門，同時把用戶身份、權限信息關聯到 SSO 中。

4. 單點登錄

Tomcat 支持通過一次驗證就能訪問部署在同一個虛擬主機上的所有 Web 應用，可通過以下配置實現：

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

Tomcat 的單點登錄是利用 Cookie 實現的：

當任一 Web 應用身份驗證成功后，都會把用戶身份信息緩存到 SSO 中，并生成一個名為 JSESSIONIDSSO 的 Cookie

當用戶再次訪問這個主機時，會通過 Cookie 拿出存儲的用戶 token，獲取用戶 Principal 并關聯到 Request 對象中

在單機環境下，沒有問題，在集群環境下，Tomcat 支持 Session 的復制，那單點登錄相關的信息也會同步復制嗎?后續會繼續分析 Tomcat 集群的原理和實現。

5. 小結

本文介紹的是 Tomcat 內部實現的登錄認證和權限，而應用程序通常都是通過 Filter 或者自定義的攔截器(如 Spring 的 Interceptor)實現登錄，或者使用第三方安全框架，比如 Shiro，但是原理都差不多。

至此，除了集群的實現，Tomcat 的核心原理已經分析完畢，接下來將會模擬實現一個簡單的 Tomcat，歡迎關注。