Security 详解—原理（1）

1.简介：

        Spring 是非常流行和成功的 Java 应用开发框架，Spring Security 正是 Spring 家族中的成员。Spring Security 基于 Spring 框架，提供了一套 Web 应用安全性的完整解决方案。

1.1 特性：

• 支持对身份认证和访问鉴权的自定义扩展
• 防止会话固定、点击劫持、跨站点请求伪造等攻击
• Servlet API 集成
• 与 Spring Web MVC 的可选集

Spring Security的核心是提供认证（Authentication）、授权（Authorization）和攻击防护。

1.2 认证（Authentication）

        身份认证，指验证用户是否为使用系统的合法主体，就是说用户能否访问该系统。 

        Spring Security支持的认证方式有：用户名和密码、OAuth2.0登录、SAML2.0登录、中央认证服务器（CAS）、记住我、JAAS身份认证、OpenID、预身份验证方案、X509认证

1.3 授权（Authorization）

        身份鉴权，指验证某个用户是否具有权限使用系统的某个操作。

Spring Security支持的授权方案：基于过滤器授权、基于表达式访问控制、安全对象实现、方法安全、域对象安全（ACL）。

1.4 攻击防护

        防止会话固定、点击劫持、跨站点请求伪造等攻击。（解决系统安全问题）

Spring Security支持的攻击防护有：CSRF、会话固定保护、安全请求头、HTTPS、HTTP防火墙

2 SpringSecurity 认证和授权流程

        Spring Security是通过Filter来实现的，采用的是责任链的设计模式，它有一条很长的过滤器链，只有当前过滤器通过，才能进入下一个过滤器。

        Spring Boot 自动装配通过WebSecurityConfiguration类，Spring容器中注入一个名为SpringSecurityFilterChain的Servlet过滤器,类型为FilterChainProxy。它实现了javax.servlet.Filter,因此外部的请求都会经过这个类。FilterChainProxy是一个代理,真正起作用的是FilterChainProxy中SecurityFilterChain所包含的各个Filter,同时,这些Filter都已经注入到Spring容器中,他们是Spring Security的核心,各有各的职责。但是他们并不直接处理用户的认证和授权,而是把他们交给了认证管理器(AuthenticationManager)和决策管理器(AccessDecisionManager)进行处理。

 FilterChainProxy类图：

过滤器图： 

 

         除了默认过滤器，我们也可以自定义多个过滤器，通过configure(HttpSecurity http)方法中配置。认证的过程围绕图中过滤链的橙色部分（过滤器Filter），动态鉴权主要是围绕其绿色部分（拦截器Interceptor）。

 内置的过滤器：

序号	名称	描述
1	WebAsyncManagerIntegrationFilter	根据请求封装获取WebAsyncManager，从WebAsyncManager获取/注册的安全上下文可调 用处理拦截器
2	SecurityContextPersistenceFilter	SecurityContextPersistenceFilter主要是使用SecurityContextRepository在session中保存 或更新一个SecurityContext，并将SecurityContext给以后的过滤器使用，来为后续fifilter 建立所需的上下文。SecurityContext中存储了当前用户的认证以及权限信息。
3	HeaderWriterFilter	向请求的Header中添加相应的信息,可在http标签内部使用security:headers来控制
4	CsrfFilter	csrf又称跨域请求伪造，SpringSecurity会对所有post请求验证是否包含系统生成的csrf的 token信息，如果不包含，则报错。起到防止csrf攻击的效果。
5	LogoutFilter	匹配URL为/logout的请求，实现用户退出,清除认证信息。
6	UsernamePasswordAuthenticationFilter	认证过滤器，表单认证操作全靠这个过滤器，默认匹配URL为/login且必须为POST请求
7	DefaultLoginPageGeneratingFilter	如果没有在配置文件中指定认证页面，则由该过滤器生成一个默认认证页面。
8	DefaultLogoutPageGeneratingFilter	由此过滤器可以生产一个默认的退出登录页面
9	BasicAuthenticationFilter	此过滤器会自动解析HTTP请求中头部名字为Authentication，且以Basic开头的头信息
10	RequestCacheAwareFilter	通过HttpSessionRequestCache内部维护了一个RequestCache，用于缓存 HttpServletRequest
11	SecurityContextHolderAwareRequestFilter	针对ServletRequest进行了一次包装，使得request具有更加丰富的API
12	AnonymousAuthenticationFilter	当SecurityContextHolder中认证信息为空,则会创建一个匿名用户存入到 SecurityContextHolder中。spring security为了兼容未登录的访问，也走了一套认证流程， 只不过是一个匿名的身份。
13	SessionManagementFilter	securityContextRepository限制同一用户开启多个会话的数量
14	ExceptionTranslationFilter	异常转换过滤器位于整个springSecurityFilterChain的后方，用来转换整个链路中出现的异 常
15	FilterSecurityInterceptor	授权过滤器，获取所配置资源访问的授权信息，根据SecurityContextHolder中存储的用户信息来决定其 是否有权限。

2.1 认证流程

Spring Security有两种认证方式，一种是 HttpBasic认证和表单认证。

• HttpBasic登录验证模式是Spring Security实现登录验证最简单的一种方式，也可以说是最简陋 的一种方式。它的目的并不是保障登录验证的绝对安全，而是提供一种“防君子不防小人”的登录验证。
• 表单认证就是通过登录界面，将用户名密码通过表单的形式发送到服务器上。
•  spring security 5.x以下默认是HttpBasic认证，以上默认是表单认证。

 具体流程：

1. 用户提交用户名、密码被SecurityFilterChain中的UsernamePasswordAuthenticationFilter 过滤器获取到,封装为请求Authentication,通常情况下是UsernamePasswordAuthenticationToken这个实现类。
2. 然后过滤器将Authentication提交至认证管理器(AuthenticationManager)进行认证，它的实现类是ProviderManager。
3. 认证成功后, AuthenticationManager 身份管理器返回一个被填充满了信息的(包括上面提到的权限信息,身份信息,细节信息,但密码通常会被移除)Authentication 实例。
4. SecurityContextHolder 安全上下文容器将第3步填充了信息的 Authentication,通过 SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(…)方法,设置到其中。

AbstractAuthenticationProcessingFilter

UsernamePasswordAuthenticationFilter ProviderManager

                          

2.1.1  HttpBasic认证

    @Override
    public void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        
        http.csrf().disable();

        http.authorizeRequests()
                .antMatchers("/hello", "/loginalert", "/mylogin").permitAll()
                .antMatchers("/helloadmin").hasRole("admin")
                .antMatchers("/hellouser").hasAuthority("query")
                .anyRequest().authenticated()
                .and().httpBasic();
    }

2.1.2 表单认证

 @Override
    public void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http.csrf().disable();

        http.authorizeRequests()
                .antMatchers("/hello", "/loginalert", "/mylogin").permitAll()
                .antMatchers("/helloadmin").hasRole("admin")
                .antMatchers("/hellouser").hasAuthority("query")
                .anyRequest().authenticated()
                .and().formLogin().loginPage("/mylogin.html")
                .usernameParameter("uname").passwordParameter("passwd")
                .permitAll()
                .loginProcessingUrl("/doLogin")
                .failureHandler((request, response, exception) -> {
                    String message = "login fail:" + exception.getMessage();
                    response.setContentType("text/html");
                    response.getWriter().write("");
                }).successHandler(((request, response, authentication) -> {
                    String message = "login success:" + authentication.getName();
                    response.setContentType("text/html");
                    response.getWriter().write("");
                }));

        http.exceptionHandling().accessDeniedHandler(((request, response, accessDeniedException) -> {
            String message = "access fail:" + accessDeniedException.getMessage();
            response.setContentType("text/html");
            response.getWriter().write("");

        }));

    }

 2.2 授权流程

        授权是在用户认证通过后,对访问资源的权限进行检查的过程。Spring Security可以通过http.authorizeRequests()对web请求进行授权保护。Spring Security使用标准Filter建立了对web请求的拦截,最终实现对资源的授权访问。

1. 拦截请求,已认证用户访问受保护的web资源将被SecurityFilterChain中(实现类为DefaultSecurityFilterChain)的 FilterSecurityInterceptor 的子类拦截。
2. 获取资源访问策略,FilterSecurityInterceptor会从 SecurityMetadataSource的子类DefaultFilterInvocationSecurityMetadataSource 获取要访问当前资源所需要的权限Collection 。SecurityMetadataSource其实就是读取访问策略的抽象,而读取的内容,其实就是我们配置的访问规则,读取访问策略如
3. 最后,FilterSecurityInterceptor会调用 AccessDecisionManager 进行授权决策,若决策通过,则允许访问资源,否则将禁止访问。 

                 

2.2.1 权限配置 

        权限配置有两种方式一种在SecurityFilterChain中配置，另一种在接口上增加注解。

        权限表达式（方法）：

1. hasRole(role):当前用户是否具备指定角色
2. hasAnyRole(role …):当前用户是否具备指定角色中的任意一个
3. hasAuthority(authority):当前用户是否具备指定的权限
4. hasAnyAuthority(authority …):当前用户是否具备指定的权限任意一个
5. principal:当前登录主体
6. authentication:context中authentication对象
7. permitAll():允许所有请求
8. denyAll():拒绝所有请求
9. isAnonymous():当前用户是否是一个匿名用户

        1. SecurityFilterChain配置

.antMatchers("/toUserAdd").hasAnyRole("admin");
.antMatchers("/toUserAdd").hasRole("admin");
.antMatchers("/toUserEdit").hasAuthority("edit")
.antMatchers("/toUserEdit").hasAnyAuthority("edit")

        2.注解方式

1. @PostAuthorize:在目标方法执行之后进行权限校验
2. @PostFilter：在目标方法执行之后对方法的返回结果进行过滤
3. @PreAuthorize：在目标方法执行之前进行权限校验。
4. @PreFilter：在目标方法执行之前对方法参数进行过滤。
5. @Secured：访问目标方法必须具备相应的角色
6. @DenyAll：拒绝所有访问
7. @PermitAll: 允许所有访问
8. @RolesAlowed:访问目标方法必须具有的角色

public class UserService {
    @PreAuthorize("hasRole('ADMIN')")
    public String hello() {
        return "hello";
    }
    @PreAuthorize("hasRole('ADMIN') and authentication.name=='lglbc'")
    public String hello2() {
        return "hello";
    }
    @PreAuthorize("hasRole('ADMIN') and authentication.name==#name")
    public String hello3(String name) {
        return "hello";
    }

    @PreFilter(value = "filterObject.id%2!=0",filterTarget = "users")
    public void addUsers(List users, Integer other) {
        System.out.println("users = " + JSON.toJSONString(users));
    }
    @PostFilter("filterObject.id%2==0")
    public List getAll() {
        List users = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            users.add(new User(i, "lglbc_:" + i));
        }
        return users;
    }

    @Secured({"ROLE_ADMIN","ROLE_USER"})
    public User getUserByUsername(String username) {
        return new User(99, username);
    }

    @DenyAll
    public String denyAll() {
        return "DenyAll";
    }

    @PermitAll
    public String permitAll() {
        return "PermitAll";
    }
    @RolesAllowed({"ADMIN","USER"})
    public String rolesAllowed() {
        return "RolesAllowed";
    }
}

2.2.2  hasRole 和hasAuthority  区别

        通过原来分析，hasRole 的处理逻辑和 hasAuthority 似乎是一样的，只是hasRole 这里会自动给传入的字符串前缀（默认是ROLE_ ），使用 hasAuthority 更具有一致性，不用考虑要不要加 ROLE_ 前缀，在UserDetailsService类的loadUserByUsername中查询权限，也不需要手动增加。在SecurityExpressionRoot 类中hasAuthority 和 hasRole 最终都是调用了 hasAnyAuthorityName 方法。

3.异常处理

        异常处理设计到两个 Handler 进行处理 ，一个是处理认证异常的Handler处理器 AuthenticationEntryPoint，一个是授权异常的Handler处理器 AccessDeniedHandler。异常类主要分为两大类：AuthenticationException认证异常和AccessDeniedException授权异常。

AuthenticationException异常：

异常类型	备注
AuthenticationException	认证异常的父类，抽象类
BadCredentialsException	登录凭证(密码)异常
InsufficientAuthenticationException	登录凭证不够充分而抛出的异常
SessionAuthenticationException	会话并发管理时抛出的异常，例如会话总数超出最大限制数
UsernameNotFoundException	用户名不存在异常
PreAuthenticatedCredentialsNotFoundException	身份预认证失败异常
ProviderNotFoundException	未配置AuthenticationProvider 异常
AuthenticationServiceException	由于系统问题而无法处理认证请求异常。
InternalAuthenticationServiceException	由于系统问题而无法处理认证请求异常。和AuthenticationServiceException 不同之处在于，如果外部系统出错，则不会抛出该异常
AuthenticationCredentialsNotFoundException	SecurityContext中不存在认证主体时抛出的异常
NonceExpiredException	HTTP摘要认证时随机数过期异常
RememberMeAuthenticationException	RememberMe认证异常
CookieTheftException	RememberMe认证时Cookie 被盗窃异常
InvalidCookieException	RememberMe认证时无效的Cookie异常
AccountStatusException	账户状态异常
LockedException	账户被锁定异常
DisabledException	账户被禁用异常
CredentialsExpiredException	登录凭证(密码)过期异常
AccountExpiredException	账户过期异常

AccessDeniedException异常：

异常类型	备注
AccessDeniedException	权限异常的父类
AuthorizationServiceException	由于系统问题而无法处理权限时抛出异常
CsrfException	Csrf令牌异常
MissingCsrfTokenException	Csrf令牌缺失异常
InvalidCsrfTokenException	Csrf令牌无效异常

可以通过SecurityFilterChain进行配置

        http.exceptionHandling().accessDeniedHandler(((request, response, accessDeniedException) -> {
            String message = "access fail:" + accessDeniedException.getMessage();
            response.setContentType("text/html");
            response.getWriter().write("");
        }));

        http.exceptionHandling().authenticationEntryPoint((request, response, authException) -> {
            System.out.println("error:" + authException);
        });

参考：

SpringBoot Security工作原理_springbootsecurity原理_StrangerIt的博客-CSDN博客

springSecurity源码之鉴权原理_凯歌的博客的博客-CSDN博客

SpringSecurity认证基本原理与认证2种方式_spring security 多种认证_程序小黑马的博客-CSDN博客