Kerberos原理

转载自： Yx.Ac 文章来源： 勇幸|Thinking ( http://www.ahathinking.com )  。

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前些日子为了搞清楚Kerberos原理，把 MIT的Kerberos经典对话 看了几遍，终于有了一个稍微清晰的认识，这里稍微记录下，因为Kerberos是使用传统加密技术实现的一个认证机制，所以顺便备忘下关于加密的一些知识概念。本文组织如下：

===关于Kerberos===

===认证授权===

===加密术语===

===单点登录===

===Kerberos术语===

===Kerberos原理===

===经典对话手记===

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关于Kerberos

什么是Kerberos？

一句话，Kerberos是一种认证机制。

它的目的：通过密钥系统为 客户端/服务器应用程序 提供强大的 认证 服务：保护服务器防止错误的用户使用，同时保护它的用户使用正确的服务器，即支持 双向验证 ；

Kerberos协议的整个认证过程实现不依赖于主机操作系统的认证，无需基于主机地址的信任，不要求网络上所有主机的物理安全，并假定网络上传送的数据包可以被任意地读取、修改和插入数据。说白了， Kerberos通过 传统的加密技术 （共享密钥）实现了一种可信任的第三方 认证 服务。

认证授权

认证授权（Anthentication and Authorization）是系统权限管理经常需要考虑的问题，也是一个很复杂的问题，至少我是这样觉得的。

认证：系统识别某个个体/请求的身份时，称为认证；即辨别身份真伪，解决“ 你是谁 ”的问题。

授权：系统赋予某个个体从事某种行动的权利，叫做授权；即解决“ 你能做什么 ”的问题。

感觉应该说清楚了，认证未必授权，授权必须认证。

加密术语

上面说过，Kerberos是网络服务的认证机制，使用加密技术实现认证，这里再啰嗦下它们之间的关系。

加密：给数据加密，目的是保护数据，强调的是 安全性

认证：判断身份的真实性，目的是辨真伪，强调的是 真实性

授权：根据不同的身份给予不同的授权；所以认证（authentication）与授权（authorization）往往是相伴而生。

给出几个场景，来理解加密技术的一些术语：A为信息发送方；B为信息接收方

[密钥]：就是一个参数，明文转密文或密文转明文的算法输入数据

[对称加密]（又称私钥加密）：加密和解密使用同一个密钥（secret key）。常见的是使用用户名密码方式，例如A为服务器，存储了B的用户名密码，A发送一段数据给B前使用B的密码加密，B收到后使用自己的密码解密。

[非对称加密]（又称公钥加密）：采用公钥和私钥的方式，A和B都各有一对公钥和私钥；注意，公钥和私钥成对出现，一个公钥对应一个私钥。

[公钥]：公开的密钥，可以公开

[私钥]：私有的密钥，只有当事人自己知道

[数字证书]：用来辨别对方身份的，可以简单理解为一个被权威性机构验证过的公钥。

[数字签名]：使用私钥加密的数据叫做数字签名，采用对应的公钥来验证数字签名，从而确认发送方的身份。

公钥私钥的目的：实现信息的安全传输：1）A发送给B，信息传输过程必须加密，防止别人看；2）B收到后能够知道肯定是A发送的，而不是有人冒充A。

怎么实现呢？

场景理解：

1）首先A用B的公钥加密信息，进行发送，这保证了信息不会被别人看到或修改，B收到后使用B的私钥解密，就可以看到A发送的信息了。

2）其次，A用A的私钥给消息加密，B可以用A的公钥解密，因为A的私钥只在A手里，所以这可以确认信息是A发送的。

由此，可以看出【公钥私钥的主要用途】：

1）  公钥加密，对应上述场景中的前半段，重点是 加密 ；实际应用中，公钥常以数字证书的方式出现，为了公钥的安全性和有效性（被权威认证过的）。

2）  私钥加密，即公钥认证，对应上述场景中的后半段，重点是 认证 （认证A身份的真实性）；私钥加密的主要用途就是数字签名。

现实的痛点：

上面说了大半天，使用公钥私钥不就可以实现安全通信么，A和B要进行安全的通信，互相使用对方的公钥加密信息，然后使用私钥解密不就好了。实际情况是，有时候不一定双方都有公私钥对；更为重要的是，使用公私钥很费时间，很慢，影响通信体验。SSL应运而生。

[SSL]（security sockets layer）：实际应用中实现安全通信。

简单理解： SSL就是使用公私钥约定会话密钥，然后使用会话密钥和对称加密算法 （例如DES）进行通信。

[会话密钥]：A要和B实现安全通信，A使用B的公钥加密一个密钥C发给B，B拿到后用私钥解密后得到密钥C，以后A和B之间传输的信息都使用约定的密钥C来加密，这个只有约定双方知道的密钥C叫做会话密钥（session key），其中约定会话密钥的过程叫做握手。

单点登录

SSO（single sign on）：单点登录。多系统共存的情况下，用户一次登录得到其他所有系统的信任；

单点登录到处可见，平时在公司上班，公司有多个内部系统，如果每个系统都要输入用户名密码真的是很崩溃的一件事情，登录一次就可以访问所有的系统，这就是单点登录；例如淘宝和天猫是两个不同的系统，你上淘宝买东西，买好又去天猫买，这个时候就不需要再重新登录，即单点登录。

SSO比较经典的解决方案是CAS（central authentication service）：中央认证服务。

CAS的原理和工作流程基本都是参考Kerberos票据的原理，所以也不用去研究CAS原理，直接搞懂Kerberos原理，CAS原理也就通了。

Kerberos术语

KDC（key distribution center）：密钥发放中心

AS（authentication service）：认证服务，索取credential，发放 TGT

TGS（ticket granting service）：票据授权服务，索取TGT，发放ST

ST（service ticket）：服务票据，由KDC的TGS发放，任何一个应用（application）都需要一张有效的服务票据才能访问；如果能正确接受ST，说明client和server之间的信任关系已经被建立，通常为一张数字加密的证书。

TGT（ticket granting ticket）：票据授权票据，由KDC的AS发放；获得这样一张票据后，以后申请其他应用的服务票据（ST）时，就不需要向KDC提交身份认证信息（credential），TGT具有一定的有效期，就像是kerberos进行kinit以后只是具有固定时间的有效期，需要不断的去renew来续约。

上面几个术语简单说下它们的关系：KDC由AS和TGS组成，AS进行身份认证发放TGT，TGT是用来避免多次请求而需要重复认证的凭证；TGS发放ST，ST用来访问某个service时的凭证，ST相当于告诉service你的身份被KDC认证为合法的一个凭证。可以参考Kerberos原理中所画的图来理解这些术语。

Authenticator：验证器，与票据结合用来证明提交票据的user就是其所声明的身份，内容包括{user, address, start_time, lifetime}，这些内容使用user和service之间的session key加密；验证器是user客户端自己构建，只能“被使用一次”。

Kerberos原理

为什么要有Kerberos这样一个中央认证机制？

既然认证就是辨别身份，那我输入用户名密码不就好了，为何要有Kerberos这样一个复杂的东西；

举例来说，有A，B，C三个服务器，分别提供不同的服务，user要访问ABC都需要输入用户名密码，但是ABC没必要都存一份user的密码，所以就衍生出一个中央服务器D来专门存储用户名密码；如果user通过了D的认证，那就是合法的身份，就可以使用ABC任何一个服务，所以user需要告诉ABC它通过了D的认证。

如何证明这个事情，以及信息在网络传输过程如何防止被截获篡改而假冒等等，解决这些问题就靠Kerberos，强烈推荐阅读MIT经典对话，可以理解协议中每条信息有什么字段，为何要设置这个字段等。

这个部分简单总结下Kerberos协议的认证流程，只有几步，详细的请参见 [经典对话手记] 来细致理解。

认证流程：

1. User向KDC中的AS请求身份验证，AS为user和TGS生成一个session key：SK_TGS，并发送{ TGT, SK_TGS } K_USER；

其中，{TGT, SK_TGS}K_USER表示使用user的密码加密的packet，包含了TGT和用户与TGS的session key；这个请求验证的过程实际上是使用kinit来完成的，kinit将username传给AS，AS查找username的密码，将TGT和SK_TGS使用用户密码加密后发送给kinit，kinit要求用户输入密码，解密后得到TGT和SK；其中，TGT使用TGS的密码加密，信息内容为{ user, address, tgs_name, start_time, lisftime, SK_TGS} K_TGS

2. User向KDC中的TGS请求访问某个Service的ST，发送[ TGT, Authenticator ]；

其中，Authenticator用于验证发送该请求的user就是TGT中所声明的user，内容为：{ user, addresss, start_time, lifetime}；Authenticator使用的TGS和user之间的session key加密的，防止TGT被盗。TGS先使用自己的密码解开TGT获得它与user之间的session key，然后使用session key解密Authenticator，验证用户和有效期。

3. TGS判断无误后，为user和Service之间生成一个新的session key：SK_Service；然后发送给user一个包：[ {SK_Service} SK_TGS, ST ]；

其中，ST是使用Service的密码加密的，SK_Service使用TGS和user之间的session key加密的；ST的内容为：{ user, address, start_time, lifetime, SK_Service } K_Service

4. User使用与TGS之间的会话秘钥解开包得到与Service之间的会话秘钥SK_Service，然后使用SK_Service生成一个Authenticator，向Service发送[ ST, Authenticator ]；

其中，此处的Authenticator是使用user和service之间的会话秘钥加密的，Service收到包后先使用自己的密码解密ST，或者会话秘钥SK_Service，然后使用SK_Service解密Authenticator来验证发送请求的用户就是票中所声明的用户。

5. Service向用户发送一个包以证明自己的身份，这个包使用SK_Service加密 。

此后user与Service之间使用SK_Service进行通信，且在TGT有效期内，user直接跳过第一步直接从第二步使用TGT向TGS证明自己的身份。注意：user client会等待service server发送确认信息，如果不是正确的service server，就无法解开ST，也就无法获得会话秘钥，从而避免用户使用错误的服务器。

个人理解要点 ：

• TGS可以理解为一种service，TGT就可以理解为TGS的‘ST’，这样理解Kerberos就简单了，除了AS，其他都是一种Service对应着它们所需要的服务票据ST
• 整个过程涉及两个Session Key，一个是user和TGS之间的（由AS设置），一个是user和某个Service之间的（由TGS设置）；按照把TGS作为一种特殊service的方式来理解的话，就是user和service之间都是通过Session key来通信的。
• Service（包括特殊的TGS）取得相应session key是通过service自己的密码获得的，用户获得session key也是通过自己的密码取得的；即二者都通过自己的密码取得session key，然后使用session key进行通信；与上面说的加密技术是一样的道理。

至于为何要使用Session key，为何要使用Authenticator，原因还是去读一下经典对话吧，看看它们是如何被一步步设计出来的。

说到这里，其实上面的流程图也就是 CAS的原理 ：

用户访问某个应用程序，应用服务器接收请求后检查ST和TGT，如果都有则用户正常进行访问；如果没有或者不对（如图，步骤1），转到CAS认证服务器的登录页面，通过安全认证后得到相应应用的TGT（步骤2-3）和该应用的ST（步骤4-5），再重定向到相关的应用服务器（步骤6），如果在会话周期内再定向到别的应用（步骤7），将出示TGT和该应用的ST（如果没有，就直接通过步骤4-5得到该应用的ST，即步骤8）进行认证。

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这里引用参考文献的一个小场景，觉得作者写的非常好，拿来很助于理解：

用户要去游乐场，首先要在门口检查用户的身份(即 CHECK 用户的 ID 和 PASS), 如果用户通过验证，游乐场的门卫 (AS) 即提供给用户一张门卡 (TGT)。

这张卡片的用处就是告诉游乐场的各个场所，用户是通过正门进来，而不是后门偷爬进来的，并且也是获取进入场所一把钥匙。

现在用户有张卡，但是这对用户来不重要，因为用户来游乐场不是为了拿这张卡的而是为了游览游乐项目，这时用户摩天楼，并想游玩。

这时摩天轮的服务员 (client) 拦下用户，向用户要求摩天轮的 (ST) 票据，用户说用户只有一个门卡 (TGT), 那用户只要把 TGT 放在一旁的票据授权机 (TGS) 上刷一下。

票据授权机 (TGS) 就根据用户现在所在的摩天轮，给用户一张摩天轮的票据 (ST), 这样用户有了摩天轮的票据，现在用户可以畅通无阻的进入摩天轮里游玩了。

当然如果用户玩完摩天轮后，想去游乐园的咖啡厅休息下，那用户一样只要带着那张门卡 (TGT). 到相应的咖啡厅的票据授权机 (TGS) 刷一下，得到咖啡厅的票据 (ST) 就可以进入咖啡厅

当用户离开游乐场后，想用这张 TGT 去刷打的回家的费用，对不起，用户的 TGT 已经过期了，在用户离开游乐场那刻开始，用户的 TGT 就已经销毁了。