Spring Security 框架详解

Spring Security是一款基于Spring框架的认证和授权框架，提供了一系列控制访问和保护应用程序的功能，同时也支持基于角色和权限的访问控制，加密密码，CSRF防范，会话管理等多种功能。Spring Security可以轻松地与其他Spring框架，如Spring Boot和Spring MVC进行集成使用。

本文将会对Spring Security框架进行全面详细的讲解，包括框架的概述、认证、授权、LDAP身份验证、Kerberos身份验证、CSRF防范、加密密码、会话管理、异常处理等方面，并提供相关API。

框架概述

Spring Security是一个基于Spring框架的认证和授权框架，它提供了各种工具和框架来保护基于Spring的应用程序。Spring Security可以让开发人员和系统管理员轻松地配置各种安全功能，例如：

• 用户认证和授权
• 保护Web应用免受各种攻击，如跨站点脚本攻击（XSS）、跨站点请求伪造攻击（CSRF）和点击劫持攻击
• 使用基于角色和权限的访问控制来保护应用程序资源
• 带有单点登录（SSO）功能，可以将多个应用程序集成到一个中央身份验证系统
• 与其他Spring框架，如Spring MVC和Spring Boot，提供可定制的集成

正如其名字所示，Spring Security是将安全性融入了Spring生态系统中，这样就可以轻松地使用Spring的依赖注入和面向切面编程等强大功能来管理应用程序的安全性。

Spring Security的架构

Spring Security的架构如下所示：

+-----------------+
| Security Filter |
+-----------------+
        |
+-----------------+
| Web Security    |
+-----------------+
        |
+-----------------+
| Authentication  |
+-----------------+
        |
+-----------------+
| Access Control  |
+-----------------+

• Security Filter：是整个Spring Security架构的基础。它是作为第一条链的Servlet过滤器。所有的安全相关操作都是在Security Filter之后执行的。
• Web Security：是通过“HttpSecurity”对象实现的，它是框架的核心子系统，负责身份验证、授权和安全事件的处理等工作。Web Security通常与Spring MVC或Spring Boot集成使用。
• Authentication：是指Spring Security处理身份验证的核心功能。它包括身份验证提供者、令牌和身份验证流程等组件。使用Spring Security，开发者可以选择多种身份验证方法，如HTTP Basic认证、表单登录、OpenID Connect等。
• Access Control：是指Spring Security控制资源访问的核心功能。它使用“AccessDecisionManager”接口来决定用户是否有权限访问受保护的资源，同时支持基于角色和基于权限的访问控制。

Spring Security的主要特点

Spring Security具有以下主要特点：

• 支持多种身份验证方式：Spring Security支持多种身份验证方式，如HTTP身份验证、基本表单登录、OpenID Connect等。
• 用于访问控制的灵活而强大的体系结构：Spring Security提供了基于角色和基于权限的授权方式，可以轻松地控制和管理资源访问。
• 安全防范功能：Spring Security提供了多种安全防范功能，如CSRF防范、XSS防范、会话管理等，以保证应用程序的安全性。
• 可扩展性和可定制性：Spring Security是一个高度可定制的框架，允许应用程序开发人员对其进行扩展和自定义以满足自己的需求。
• 集成其他Spring框架：Spring Security可以轻松地与其他Spring框架，如Spring Boot和Spring MVC集成，使得使用Spring生态系统的开发人员无缝集成安全功能。

认证

认证是Spring Security框架的一个核心功能，它是通过身份验证来确定用户的身份。Spring Security支持多种身份验证方式，如HTTP Basic认证、表单登录、OpenID Connect等。

HTTP Basic认证

HTTP Basic认证是一种简单的身份验证方式，它将用户名和密码作为HTTP请求的头部信息发送给服务器进行验证。我们可以通过“HttpSecurity”对象实现HTTP Basic认证。

@Configuration
@EnableWebSecurity
public class HttpBasicSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {
	
    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http
            .authorizeRequests()
                .anyRequest().authenticated()
                .and()
            .httpBasic();
    }

}

在上面的例子中，我们使用了Spring Security的Java配置方式来配置HTTP Basic认证。我们首先使用“authorizeRequests()”方法定义了所有请求都需要进行身份验证。然后，使用“httpBasic()”方法开启了HTTP Basic认证。

表单登录

在Spring Security中，我们也可以使用传统的用户名和密码表单登录来进行身份验证。通过表单登录，用户可以在Web应用程序的自定义登录页面中输入用户名和密码。

首先，我们需要使用“formLogin()”方法定义登录页面和处理URL：

@Configuration
@EnableWebSecurity
public class FormLoginSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {
	
    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http
            .authorizeRequests()
                .antMatchers("/login").permitAll()
                .anyRequest().authenticated()
                .and()
            .formLogin()
                .loginPage("/login")
                .loginProcessingUrl("/auth")
                .defaultSuccessUrl("/home")
                .failureUrl("/login?error=true")
                .usernameParameter("username")
                .passwordParameter("password");
    }

}

在上面的例子中，我们使用“formLogin()”方法定义了登录页面和处理URL。我们首先允许所有用户访问"/login"页面，然后使用“loginPage()”方法定义了登录页面的URL；使用“loginProcessingUrl()”方法定义了登录处理URL。最后，使用“defaultSuccessUrl()”方法和“failureUrl()”方法定义登录成功和失败后的重定向页面。我们还可以使用“usernameParameter()”方法和“passwordParameter()”方法自定义表单中的用户名和密码输入框的name属性。

在Spring Security中，我们也可以使用@Component注解将LoginForm定义为一个Spring Bean，以方便使用。示例代码如下：

@Component
public class LoginForm extends UsernamePasswordAuthenticationToken {
	
	private String username;
	private String password;

	public LoginForm(String username, String password) {
		super(username, password);
		this.username = username;
		this.password = password;
	}

	@Override
	public Object getCredentials() {
		return password;
	}

	@Override
	public Object getPrincipal() {
		return username;
	}

}

OpenID Connect

OpenID Connect是一种基于OAuth2协议的身份验证和授权协议，它适用于Web应用程序、移动应用程序和IoT设备等场景。Spring Security提供了对OpenID Connect的支持，我们可以使用“OAuth2LoginConfigurer”实现OpenID Connect认证。

首先，我们需要定义一个OAuth2 Client Registration：

@Configuration
public class OidcConfiguration {

    @Bean
    public ClientRegistration oidcClientRegistration() {
        return ClientRegistration.withRegistrationId("oidc")
                .clientId("my-client-id")
                .clientSecret("my-client-secret")
                .redirectUriTemplate("{baseUrl}/login/oauth2/code/{registrationId}")
                .authorizationGrantType(AuthorizationGrantType.AUTHORIZATION_CODE)
                .scope("openid", "profile", "email", "address", "phone")
                .authorizationUri("https://accounts.google.com/o/oauth2/auth")
                .tokenUri("https://www.googleapis.com/oauth2/v4/token")
                .userInfoUri("https://www.googleapis.com/oauth2/v3/userinfo")
                .userNameAttributeName(IdTokenClaimNames.SUB)
                .jwkSetUri("https://www.googleapis.com/oauth2/v3/certs")
                .clientName("Google")
                .build();
    }

}

在上面的例子中，我们使用“ClientRegistration”对象定义了OpenID Connect客户端的信息，包括客户端ID、客户端密钥、重定向URI、授权类型、作用域、授权服务器URI、令牌URI、用户信息URI、用户名属性名称、JWK公钥集等。

然后，在Spring Security中，我们需要使用“OAuth2LoginConfigurer”配置OpenID Connect认证：

@Configuration
@EnableWebSecurity
public class OidcSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {

    @Autowired
    private ClientRegistration oidcClientRegistration;

    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http
            .authorizeRequests()
                .anyRequest().authenticated()
                .and()
            .oauth2Login()
                .clientRegistrationRepository(clientRegistrationRepository())
                .userInfoEndpoint()
                    .oidcUserService(oidcUserService());
    }

    private OAuth2UserService oidcUserService() {
        return new OidcUserService();
    }

    private ClientRegistrationRepository clientRegistrationRepository() {
        return new InMemoryClientRegistrationRepository(Collections.singletonList(oidcClientRegistration));
    }

}

在上面的例子中，我们使用了“OAuth2LoginConfigurer”方法开启了OpenID Connect认证，同时使用了“clientRegistrationRepository()”方法和“oidcUserService()”方法配置OAuth2 Client Registration和OAuth2 User Service。

授权

Spring Security提供了基于角色和基于权限的访问控制，包括：

基于角色的访问控制

Spring Security使用角色来组织应用程序中的访问控制。我们可以使用“hasRole()”方法来实现基于角色的访问控制。示例代码如下：

@Configuration
@EnableWebSecurity
public class RoleBasedSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {
	
    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http
            .authorizeRequests()
                .antMatchers("/admin/**").hasRole("ADMIN")
                .antMatchers("/user/**").hasRole("USER")
                .anyRequest().authenticated()
                .and()
            .formLogin();
    }

    @Autowired
    public void configureGlobal(AuthenticationManagerBuilder auth) throws Exception {
        auth
            .inMemoryAuthentication()
                .withUser("admin").password("{noop}admin123").roles("ADMIN")
                .and()
                .withUser("user").password("{noop}user123").roles("USER");
    }
}

在上面的例子中，我们使用了“hasRole()”方法定义了"/admin/“和”/user/"路径需要ADMIN和USER角色才能访问。然后，我们使用“configureGlobal()”方法配置了用户信息，包括用户名、密码和角色。

基于权限的访问控制

Spring Security也支持基于权限的访问控制，我们可以使用“hasAuthority()”方法来实现基于权限的访问控制。示例代码如下：

@Configuration
@EnableWebSecurity
public class PermissionBasedSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {
	
    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http
            .authorizeRequests()
                .antMatchers("/admin/**").hasAuthority("ADMIN")
                .antMatchers("/user/**").hasAuthority("USER")
                .anyRequest().authenticated()
                .and()
            .formLogin();
    }

    @Autowired
    public void configureGlobal(AuthenticationManagerBuilder auth) throws Exception {
        auth
            .inMemoryAuthentication()
                .withUser("admin").password("{noop}admin123").authorities("ADMIN")
                .and()
                .withUser("user").password("{noop}user123").authorities("USER");
    }
}

在上面的例子中，我们使用了“hasAuthority()”方法定义了"/admin/“和”/user/"路径需要ADMIN和USER权限才能访问。然后，我们使用“configureGlobal()”方法配置了用户信息，包括用户名、密码和权限。

表达式语言

除了使用“hasRole()”方法和“hasAuthority()”方法来实现基于角色和基于权限的访问控制之外，Spring Security还支持使用表达式语言进行访问控制。我们可以使用“access()”方法来实现基于表达式语言的访问控制。示例代码如下：

@Configuration
@EnableWebSecurity
public class ExpressionBasedSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {
	
    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http
            .authorizeRequests()
                .antMatchers("/admin/**").access("hasRole('ADMIN')")
                .antMatchers("/user/**").access("hasRole('USER') or hasIpAddress('127.0.0.1')")
                .anyRequest().authenticated()
                .and()
            .formLogin();
    }

    @Autowired
    public void configureGlobal(AuthenticationManagerBuilder auth) throws Exception {
        auth
            .inMemoryAuthentication()
                .withUser("admin").password("{noop}admin123").roles("ADMIN")
                .and()
                .withUser("user").password("{noop}user123").roles("USER");
    }

}

在上面的例子中，我们使用了“access()”方法定义了"/admin/“和”/user/"路径的访问控制规则。其中，我们通过“hasRole()”表达式实现了对ADMIN角色的要求，同时通过“hasIpAddress()”表达式实现了对特定IP地址的允许。

LDAP身份验证

Spring Security也支持LDAP身份验证，我们可以使用“LdapAuthenticationConfigurer”来实现LDAP身份验证。示例代码如下：

@Configuration
@EnableWebSecurity
public class LdapSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {

    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http
            .authorizeRequests()
                .anyRequest().authenticated()
                .and()
            .formLogin();
    }

    @Override
    public void configure(AuthenticationManagerBuilder auth) throws Exception {
        auth
            .ldapAuthentication()
                .userDnPatterns("uid={0},ou=people")
                .groupSearchBase("ou=groups")
                .contextSource(contextSource())
                .passwordCompare()
                    .passwordEncoder(new BCryptPasswordEncoder())
                    .passwordAttribute("userPassword");
    }

    private ContextSource contextSource() {
        LdapContextSource contextSource = new LdapContextSource();
        contextSource.setUrl("ldap://localhost:389");
        contextSource.setBase("dc=springframework,dc=org");
        contextSource.setUserDn("cn=admin,dc=springframework,dc=org");
        contextSource.setPassword("adminpassword");
        return contextSource;
    }

}

在上面的例子中，我们使用了“ldapAuthentication()”方法启用了LDAP身份验证，并使用“userDnPatterns()”方法和“groupSearchBase()”方法定义了用户和组的搜索路径。然后，我们使用“contextSource()”方法定义了LDAP服务器的上下文源，包括LDAP服务器的URL、根目录、管理员用户名和密码等。

CSRF防范

Spring Security提供了CSRF防范功能，可以防止跨站点请求伪造攻击。我们可以通过“csrf()”方法开启CSRF防范：

@Configuration
@EnableWebSecurity
public class CsrfSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {

    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http
            .authorizeRequests()
                .anyRequest().authenticated()
                .and()
            .formLogin()
                .and()
            .logout()
                .and()
            .csrf();
    }

}

在上面的例子中，我们使用了“csrf()”方法开启了CSRF防范。Spring Security默认情况下将会在所有POST、PUT、DELETE等非GET请求中自动包含CSRF令牌，以确保请求来自于合法的来源。

加密密码

Spring Security提供了多种加密算法来加密密码，包括BCrypt、SHA-256等。我们可以使用“PasswordEncoder”接口的实现类来进行密码加密和验证。示例代码如下：

@Configuration
@EnableWebSecurity
public class PasswordEncoderSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {

    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http
            .authorizeRequests()
                .anyRequest().authenticated()
                .and()
            .formLogin();
    }

    @Autowired
    public void configureGlobal(AuthenticationManagerBuilder auth) throws Exception {
        auth
            .inMemoryAuthentication()
                .withUser("admin").password(passwordEncoder().encode("admin123")).roles("ADMIN")
                .and()
                .withUser("user").password(passwordEncoder().encode("user123")).roles("USER");
    }

    @Bean
    public PasswordEncoder passwordEncoder() {
        return new BCryptPasswordEncoder();
    }

}

在上面的例子中，我们使用了“PasswordEncoder”接口的实现类“BCryptPasswordEncoder”来进行密码加密和验证，并在“configureGlobal()”方法中使用“passwordEncoder()”方法对密码进行加密。这样，在用户认证时，Spring Security会自动调用相应的密码加密算法对用户输入的密码进行加密和验证。

值得注意的是，在验证用户密码时，我们应该使用相应的密码加密算法来进行验证，而不是使用明文比较。这样可以保证密码的安全性。