基于JAAS 和智能卡的通用身份認證模塊的實現(xiàn)
文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：曾海 人氣： 發(fā)表時間：2011年09月28日
一、概述
傳統(tǒng)的軟件在實現(xiàn)身份認證功能過程中，往往自行開發(fā)專用的認證模塊。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，實現(xiàn)的認證模塊安全性往往得不到保證。認證和授權應當同業(yè)務邏緝分離一個通用的身份認證模塊不僅能減輕軟件開發(fā)人員的負擔，更能保證認證的強度，確保在當認證方式發(fā)生改變時，應用程序不受影響。
二 JAAS認證和授權服務
認證和授權是兩種最基本的安全機制，認證是簡單地對一個實體的身份進行判斷。而授權則是向?qū)嶓w授予對數(shù)據(jù)資源和信息訪問權限的決策過程 Java 提供了一項提供認證和授權功能的標準服務。該服務即 JAAS (Java Authentication AutIlorization Service)。JAAS 強調(diào)通過驗證誰在運行代碼以及用戶應該有的權限來保護系統(tǒng)不受攻擊。使用 JAAS 可以把一些標準驗證服務。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。
認證機制需要參數(shù)是為了確定用戶的身份(對用戶進行標識)。授權在認證之后進行，JAAS框架對由配置文件指定的認證模塊進行了包裝。如果認證成功。就會返回一個包含驗證信息的用戶標識，認證機制所返回的這個驗證信息會用于授權過程。JAAS 體系結構如圖一所示。其中驗證模塊可以通過配置模塊替換。
圖一
從身份認證的強度來看，基于PKI的智能卡身份驗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 實現(xiàn)驗證過程。
三、基于智能卡的身份認證實現(xiàn)
智能卡是一種芯片卡，計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的身份驗證。
使用智能卡進行身份驗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應用環(huán)境到智能卡問的通信標準。
從通用的角度看，OCF框架優(yōu)點明顯，它是是一套基于Java的應用程序編程接口，把不同的供應商的與讀卡器交互的細節(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．因此為驗證模塊的運行提供了巨大的靈活性。身份認證使用了OCF的 CardTerminal 和CardService 層服務。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提建立和驗證數(shù)字簽名．將證書導人智能卡，公鑰導出智能卡。這是身份認證模塊的核心功能之一。
OCF框架下的身份認證過程如圖二：
圖二
在卡和登錄模塊間的驗證方式使用了傳統(tǒng)的使用公鑰加密體制的挑戰(zhàn)/應答模式。卡上有自己生成的RSA密鑰對。登錄模塊給出一個隨機數(shù)。智能卡對它進行簽名。而登錄模塊驗證后就可獲知用戶身份
在實現(xiàn)過程中用戶和公鑰關聯(lián)以及用戶公鑰分發(fā)均由PKI應用系統(tǒng)中的CA完成。CA簽發(fā)數(shù)字證書進行了用戶和公鑰關聯(lián)。證書可以放在用戶卡上。也可以存在LDAP服務器中。登錄模塊必須有用戶公鑰才能進行驗證。登錄交互過程如圖三所示。
圖三
模塊具體實現(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出，但可以取得一個指向私鑰的引用。通過引用進行簽名操作。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)的隨機數(shù)。隨機數(shù)生成利用了ScureRandom類，本類是一個高強度偽隨機數(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數(shù)進行簽名
a．取得智能卡上的簽名服務引用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標準的定義是：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。
(4)驗證用戶數(shù)字證書是否正確
a．取得用戶數(shù)字證書
本設計中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GPKFileAccessService中read方法：facs．read(file．getPath()，0，file．getLength())
讀出證書文件后，強制轉(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服務器中取得)：
b．取得CA數(shù)字證書
本設計中CA證書存放在LDAP服務器的根節(jié)點上，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．使用被驗證證書對象的verify()方法，驗證cardSignedCert是否由cac簽發(fā)，如果驗證失敗則拋出異常返回；
(5)驗證挑戰(zhàn)，響應的結果是否正確
第3步工作得到響應數(shù)據(jù)signaturel．第4步工作驗證了用戶公鑰和用戶名是對應的。原始的挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)在dataToSign中；這里需要驗證響應數(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)／響應過程成功。可以轉(zhuǎn)向 commit 方法提交用戶身份
四、智能卡認證結果的傳遞
驗證模塊APPlet 嵌入在ASP或者ASP．NET制作的登錄網(wǎng)頁中，該模塊驗證成功后應該把登錄信息傳遞給業(yè)務系統(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)分別對應用戶名和驗證狀態(tài)，函數(shù)的代碼實現(xiàn)如下：
function fiUin(namel，status1)
{artiticatCardVerify．LoginName．value=name1；artificalCardVerify．status．value=statusl；)
其中artificalCardVerify是驗證網(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)務網(wǎng)頁判斷來源是否合法：表單提交后轉(zhuǎn)向業(yè)務網(wǎng)頁：
<form method=“POST”action=“artificalCardVerify_login_redirect．a(chǎn)sp”name=“artificalCardVerify”>
(3)業(yè)務網(wǎng)頁視圖
業(yè)務網(wǎng)頁用ASP或者ASP．NET編寫,接受來自登錄網(wǎng)頁的提交。業(yè)務網(wǎng)頁首先檢查是否登錄成功(status域為Success、用戶名不為空)，從業(yè)務權限表取得該用戶對應的業(yè)務權限后，進入正常業(yè)務邏緝。
五、結語：
在具有完備PKI 基礎的應用環(huán)境中,實現(xiàn)基于JAAS 和智能卡的通用身份認證模塊能夠?qū)I(yè)務系統(tǒng)中的認證模塊分離出來。提高驗證的安全級別，方便開發(fā)者使用和維護。作為一個可撥插模塊，任何 Web 應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。隨著智能卡技術的不斷發(fā)展，使用Java 智能卡將能進一步提高驗證的安全性和靈活性。
