Kerberos认证流程详解

半兽人 发表于: 2016-07-18   最后更新时间: 2016-10-23  
  •   0 订阅,384 游览

Kerberos是诞生于上个世纪90年代的计算机认证协议,被广泛应用于各大操作系统和Hadoop生态系统中。了解Kerberos认证的流程将有助于解决Hadoop集群中的安全配置过程中的问题。

Kerberos解决什么问题?

简单地说,Kerberos提供了一种单点登录(SSO)的方法。考虑这样一个场景,在一个网络中有不同的服务器,比如,打印服务器、邮件服务器和文件服务器。这些服务器都有认证的需求。很自然的,不可能让每个服务器自己实现一套认证系统,而是提供一个中心认证服务器(AS-Authentication Server)供这些服务器使用。这样任何客户端就只需维护一个密码就能登录所有服务器。
因此,在Kerberos系统中至少有三个角色:认证服务器(AS),客户端(Client)和普通服务器(Server)。客户端和服务器将在AS的帮助下完成相互认证。
在Kerberos系统中,客户端和服务器都有一个唯一的名字,叫做Principal。同时,客户端和服务器都有自己的密码,并且它们的密码只有自己和认证服务器AS知道。

简化的Kerberos认证流程

首先来看现实生活中的类似的一个例子。假如你要去社区事务中心去办理居住证,但是社区事务中心并不能确定你的身份,因此需要你去派出所开据证明,证明你就是你。那么,通常的流程是这样的:

  1. 你带好身份证和相应的材料去派出所,向JCSS说明你要办居住证,需要开据相应的证明。
  2. JCSS根据他们的内部系统,核实了你提供的材料并开据了证明,上面盖有派出所的红章。
  3. 你再拿着这个证明再去社区事务中心,社区事务中心的工作人员看到了JCSS提供的证明,就可以确定你的身份,便开始给你办理业务。

和上面的例子中的流程非常相似,Kerberos的认证流程分成了以下4个步骤,见下图。
符号说明:

  • client_principal, server_principal: 分别表示客户端和服务器的名字。
  • Tc,s: 表示AS发给客户端c的票据,该票据包含有用于和服务器s通信认证的相关信息。
  • {Kc,s; server_principal,...}Kc: 表示票据的内容,{}里面的为具体内容。Kc为客户端的密码,表示该票据由客户端的密码加密。其它的类似。
    screenshot
  1. 客户端向服务器端发起请求,请求的内容是:我是谁(客户端的principal),我要和谁通信(服务器的principal).

  2. AS收到请求以后,随机生成一个密码Kc,s (Session Key),并且生成了以下两个票据(Ticket)返回给客户端:

    • Tc,s={Kc,s; server_principal,...}Kc - 该票据是给客户端的,大括号里面为票据中的内容,后面的Kc为客户端的密码,表示该票据用客户端的密码加密了。
    • Ts,c={Kc,s; client_principal,...}Ks - 大括号里面为票据中的内容,后面的Ks为服务器的密码,表示该票据用服务器的密码加密了。该票据是给服务器的,但是AS并不直接给服务器,而是交给了客户端再由客户端交给服务器。因为该票据由服务器的密码加密了,所以客户端无法伪造和篡改。

    注:Tc,s和Ts,c这两个符号是本文为了描述方便而引入的,在别的文献中没有。

  3. 客户端拿到了第二步中的两个票据后,首先用自己的密码解开票据Tc,s得到Kc,s,然后生成一个认证因子(Authenticator),其内容如下:

    Authenticator: {time_stamp, Ts,c_checksum,...}Kc,s
    

    其中主要包括当前时间和Ts,c的校验码,并且用SessionKey Kc,s加密。
    客户端将Authenticator和Ts,c同时发给服务器。

  4. 服务器首先用自己的密码解开Ts,c,拿到SessionKey Kc,s,然后用Kc,s解开Authenticator,并做如下检查:

    1. 检查Authenticator中的时间戳是不是在当前时间上下5分钟以内,并且检查该时间戳是否首次出现。如果该时间戳不是第一次出现,那说明有人截获了之前客户端发送的内容,进行Replay攻击。
      1. 检查checksum是否正确。

    如果都正确,客户端就通过了认证。
    服务器段可选择性地给客户端回复一条消息来完成双向认证,内容如下:

    {time_stamp}Kc,s
    

其中包括客户端发送过去的时间戳,并且用SessionKey Kc,s加密。

客户端通过解开该消息,通过比较服务器返回的时间戳和自己发送过去的时间戳是否一致,来验证服务器。
通过以上4个步骤,客户端和服务器就完成了双向认证。随后,客户端和服务器就可以用session key来加密需要传输的内容。

完整的Kerberos认证流程

上一节介绍的流程已经能够完成客户端和服务器的相互认证。但是,比较不方便的是每次认证都需要客户端输入自己的密码。如何解决这个问题,我们再来看一个生活中的例子。某些电影院发行联票,客户只需在花一次钱买张联票(在一定期限内可以兑换一定数量的电影票)。在想看电影的时候,只需要出示联票就可以取一张电影票。这样的好处一是方便,二是相对安全,因为用户无需每次买票的时候都出示信用卡,从而减少了暴露密码的机会。

类似的,在Kerberos系统中,引入了一个新的角色叫做:票据授权服务(TGS - Ticket Granting Service),它的地位类似于一个普通的服务器,只是它提供的服务是为客户端发放用于和其他服务器认证的票据。

这样,Kerberos系统中就有四个角色:认证服务器(AS),客户端(Client),普通服务器(Server)和票据授权服务(TGS)。
现在客户端初次和服务器通信的认证流程分成了以下6个步骤:
screenshot

注:虽然上图中把AS和TGS画成了两个框,但实现上它们是可以做到一个服务里面的。

  1. 客户端向AS发起请求,请求内容是:我是谁(客户端的principal),我要和票据授权服务通信(TGS的principal)等

  2. AS收到请求后,随机生成一个密码Session Key(Kc,tgs),并生成以下两个Ticket返回给客户端:

    • Tc,tgs={Kc,tgs; tgs_principal; ...} Kc - 该票据是给客户端的,大括号里面为票据中的内容,后面的Kc为客户端的密码,表示该票据用客户端的密码加密了。
      • Ttgs,c={Kc,tgs; client_principal;...} Ktgs - 该票据是给TGS,大括号里面为票据中的内容,后面的Ktgs为TGS的密码,表示该票据用TGS的密码加密了,只有TGS能解开。

    上述两步和上面简化的认证流程的前两步是一致的,唯一不一样的是与客户端通信的另一端是票据授权服务(TGS)。该步骤中得到的Tgs,c就类似于例子中的联票,后面将会通过它来得到一张和其他服务器通信认证的票据。

  3. 客户端用自己的密码解开Tc,tgs,得到Kc,tgs,生成一个Authenticator,并给TGS发起请求,请求内容是包括:

    • Authenticator = {time_stamp, checksum, ...}Kc,tgs
      • Ttgs,c - 第二步从AS返回的票据
      • server_principal, ...

    在这个步骤中,Authenticator和Ttgs,c是用于客户端向TGS证明自己身份的,server_principal是客户端需要访问的服务器的名字。

  4. TGS收到客户端发送的Authenticator和Ttgs,c后,先用自己的密码解开Ttgs,c,得到SessionKey Kc,tgs,然后解开Authenticator,对客户端进行认证,这与简化的认证流程的第4步是一致的。如果客户端通过了认证,TGS生成一个客户端和服务器的SessionKey(Kc,s),同时将组装下面两个票据返回给客户端:

    • Tc,s={Kc,s, server_principal,...}Kc,tgs - 这是给客户端的票据,Kc,s是客户端与服务器之间的SessionKey,用客户端和TGS之间的SessionKey(Kc,tgs)加密。区别就在这里了,给客户端的票据不再用客户端的密码加密,而是用客户端和Tgs之间的SessionKey加密。
      • Ts,c={Kc,s, client_principal,...}Ks - 这是给服务器的票据,用服务器的密码加密。
  5. 客户端收到上述两个票据后,用Kc,tgs解开Tc,s得到Kc,s,然后生成一个Authenticator并发送请求给服务器,内容包括:

    • Authenticator={time_stamp, Ts,c_checksum,...}Kc,s
      • Ts,c={Kc,s, client_principal,...}Ks。
  6. 服务器收到请求后,用自己的密码解开Ts得到Kc,s,然后用Kc,s解开Authenticator对客户端进行认证。服务器也可选择性的返回如下信息给客户端来完成双向认证:

    {time_stamp}Kc,s
    

这是客户端首次认证的流程,通常客户端会在第2步的时候把相应的票据保存下来,在以后客户端需要认证别的服务器的时候就不需要前面两步,直接从第3步开始。

小结与参考资料

本文详细介绍了Kerberos的认证流程,了解Kerberos的认证流程对配置Hadoop的安全性很有必要。以后有机会再分享Kerberos在Hadoop生态系统中的具体应用。







发表于: 6月前   最后更新时间: 3月前   游览量:384
上一条: interllij idea生成javadoc
下一条: kerberos认证的原理
评论…

  • 评论…
    • in this conversation
      提问