用WSE在Web服务中验证用户身份

一、Web服务安全与WS-Security

  毫无疑问,SOAP和XML Web服务在交互操作和标准上已经完全改变了电子商务领域的格局。

   然而直到最近,在Web服务技术领域仍然存在着一些缺陷,那就是处理消息级别的安全、认证、加密、数字签名、路由和附件等问题的能力。为了解决这些安全 问题,像IBM、Microsoft和Verisign这样的公司和组织正牵头合作制定统一的Web服务安全规范,以便利用它们原有的Web服务交互操作 概念和商业模型,他们推出了WS-Security等规范。可以这么说,自从SOAP规范形成以后,WS-Security规范及其后续的工作可能是 Web服务技术领域的一次最重要的进步。

  随着WS-Security规范的定稿,各大软件厂商开始认真地考虑为其产品提供使用相同Web服务安全语言的接口和编程工具箱,Web服务开发者也将能够使用这些厂商提供的工具加强他们所开发的Web服务的安全性。

  二、WSE安全性能简介

  Microsoft推出了Web Services Enhancements 1.0 for .NET(以下简称WSE),它是一个类库,用于实现高级 Web 服务协议,这也是该公司的第一个使用WS-Security等规范实现SOAP消息安全的工具套件。

  保护Web服务安全的一个很重要的环节就是保护其SOAP消息传递的安全。

  使用WSE后,SOAP消息可以自己验证其完整性,并可使用定义在WS-Security规范中的机制加密。

  WSE1.0支持的所有WS-Security特性都是通过实现SecurityInputFilter和 SecurityOutputFilter对象的安全性输入输出过滤器实现的,它支持的安全特性有:

  1. 数字签名

  2. 加密

  3. 使用用户名令牌签名并加密

  4. 使用X.509证书签名并加密

  5. 使用自定义二进制令牌签名并加密

   WSE1.0不支持Security Assertion Markup Language(SAML,安全声明标注语言),但Microsoft公司正积极在其.NET Server中实现SAML体系结构。当然,开发者自己可以自由的实现SAML。唯一的不足是还不能使用WSDL描述遵循WS-Security规范的 Web服务的WS-Security接口。

  WSE的体系结构模型基于处理入站和出站SOAP消息的过滤器管道。它是建立在已有的SOAPExtension类的基础上的,有使用过SOAPExtension类行进压缩、加密、记录和其它操作经验的开发者会发现他们对WSE其实很熟悉。

   WSE提供了一个Microsoft.Web.Services.SoapContext类,让我们可以处理WS-Security SOAP头和其它入站的SOAP消息头,同时可为出站的SOAP消息添加WS-Security头。WSE还有一个包装类为SOAP请求和响应添加 SOAPContext(与HttpContext类似),同时服务器使用一个SOAPExtension类 “Microsoft.Web.Services.WebServicesExtension”,让我们可以验证入站的SOAP消息,还提供了我们可从我 们的WebMethod中访问的请求和响应SoapContext。

  学习使用WSE最大的障碍在于有时很难理解Microsoft的 技术文档和相关文章,即使对于那些有丰富经验的高级开发人员来说也是如此,并且关于这方面的文章很少。在本文中,我将给出一个简单的例子,介绍如何使用 WSE实现基本的用户名令牌的验证过程,以保证Web服务的安全。

  三、设置WSE环境

  为了设置基本的WSE环 境,我们需要配置ASP.NET应用程序,使其能够使用WSE SOAPExtension。最简单的方法是把所需的 /configuration/system.web/webServices/soapExtensionTypes/Add元素添加到你的Web服务 虚拟目录中的web.config里,如下所示:









<webServices>
<soapExtensionTypes>
<add type="Microsoft.Web.Services.WebServicesExtension, Microsoft.Web.Services, Version=1.0.0.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=31bf3856ad364e35" priority="1" group="0" />
</soapExtensionTypes>
</webServices>

  注意type属性必须写在一行中,但是在文中考虑到篇幅的问题需要把它分为几行,所以请读者多加注意。而且要注意,在开始使用WSE之前,我们必须在工程中加入对Microsoft.Web.Services.dll的引用。
  四、基本的用户名令牌认证

  在我们数字签名SOAP消息之前,必须先弄清楚谁正在签名。因此,我们将探讨一下用户名令牌(UsernameToken)的概念,同时了解WSE如何允许我们验证用户名令牌。

   为了在Web服务中使用WSE验证用户名/密码,我们需要知道WSE在这方面为我们提供了什么?WS-Security定义了一个 UsernameToken元素,它提供了基本用户名/密码验证的方法。如果你有使用HTTP的经验,那么你会发现UsernameToken与 Basic Authentication非常类似。有三种用户名令牌,但是通常情况下我们只对最后两种最感兴趣:









<!--明文密码-->
<UsernameToken>
<Username>user1</Username>
<Password Type="wsse:PasswordText">suangywang</Password>
</UsernameToken>

  这种方法使用明文密码。我们不难想象,在服务器上将进行核对数据库,验证用户名与密码,看是否有匹配的用户名/密码对这一系列验证操作。









<!--密码摘要-->
<UsernameToken>
<Username>user1</Username>
<Password Type="wsse:PasswordDigest">
QSMAKo67+vzYnU9TcMSqOFXy14U=
</Password>
</UsernameToken>

   这种方法发送一个密码摘要(digest)代替明文密码。使用密码摘要,密码就不会通过网络发送,这样黑客就不太可能算出Web服务的密码。密码摘要是 用散列函数计算的。这个过程只是单向的,意味着将函数反向并找到对应于摘要的消息是不可能的,因为该过程以这样一种方式实现,所以找到散列到同一摘要的两 条不同密码在计算上难以实现。但是黑客可以发送散列密码,然后冒充原始发送人被验证。为了避免这个问题,Web Services Security Addendum(Web服务安全补遗)已经增加一个辅助的保护措施。补遗中规定必须发送密码的摘要版本,而不仅仅发送散列密码。这个摘要信息包含一个密 码散列,标识请求的唯一的Nonce和创建时间。因此绝对不会出现相同的两个密码散列。如下所示是修正后的用户名令牌UsernameToken。









<!--修正后的用户名令牌-->
<wsse:UsernameToken
xmlns:wsu="http://schemas.xmlsoap.org/ws/2002/07/utility"
wsu:Id="SecurityToken-59845323-5dcb-4a6b-a7fb-94a0d7357a20">
<wsse:Username>User1</wsse:Username>
<wsse:Password Type="wsse:PasswordDigest">
gpBDXjx79eutcXdtlULIlcrSiRs=
</wsse:Password>
<wsse:Nonce>
h52sI9pKV0BVRPUolQC7Cg==
</wsse:Nonce>
<wsu:Created>2003-6-20T21:16:50Z</wsu:Created>
</wsse:UsernameToken>

   虽然每个合法请求都有一个不同的散列,但是你也必须防止恶意用户把其他用户的合法请求中的整个UsernameToken拿出放入自己的非法请求中。你 可以使用Timestamp(时间戳标头)来最小化这种危险。时间戳标头用来表示消息的创建时间和过期时间,指明消息的周期以及何时可以认为该消息失效。 例如,你可能想指定消息在40秒以后失效,并且超过40秒服务器就不会接收UsernameToken。但是机器之间的时钟同步问题可能会造成有效的请求 被拒绝的情况。所以使用时间戳也并不是一个尽善尽美的解决方法。为了解决这个问题,Web服务可以保存一张最近收到的UsernameToken的 Nonce值的表,如果收到的一个请求的Nonce值已经被使用了,那么就绝对不会接受这个请求。如果你接收几个使用相同Nonce的请求,那么你要考虑 把这几条请求全部丢弃,因为很有可能先到的请求是非法请求。还要了解到Nonce核对技术并不能防止恶意用户截获合法的输入信息,并把原始信息中的 UsernameToken加入自己的消息,然后发送到目的地。这时就需要为消息添加数字签名或安全证书,以保护其不受攻击。数字签名和安全证书的相关知 识在本文中不会涉及,请读者查阅相应文献。

  所有的散列保护都需要消息发送端和接收端知道用户的密码。在客户端,人们期望系统能够提示 用户输入密码。而在服务器端,需要保存带有有效用户名/密码对的表,以供系统查找。我们下面将介绍WSE如何使用一个Password Provider(密码提供者)机制来解决这两个问题。

  五、IPasswordProvider接口

  WSE定义 了一个Microsoft.Web.Services.Security.IPasswordProvider接口类,我们必须实现这个类来注册一个密码 提供者。这个接口有一个方法GetPassword,它接收一个 Microsoft.Web.Services.Security.UsernameToken作为输入参数,该方法返回指定用户的密码。其思想是你可以 使用任何你想用的机制保存有效的用户名/密码对,然后提供了一个实现IPasswordProvider接口的类,来让WSE访问你的特定密码存储机制。 你甚至可以执行你自己的UsernameToken的摘要(Digest)和散列(Hash)的组合,甚至使用一个共享的密码,以进一步控制你的认证基础 结构。

  为了把你特定的Password Provider(密码提供者)告诉WSE,你必须配置合适的WSE设置。首先要添加一个Microsoft.Web.Services元素到应用程序的 配置文件中的配置元素中。还要指定可以读懂特定配置信息的WSE类。可以把下面的configSections添加到机器上的 Machine.config或单独的Web.config中。









<configSections>
<section name="microsoft.web.services"
type="Microsoft.Web.Services.Configuration.WebServicesConfiguration,
Microsoft.Web.Services, Version=1.0.0.0, Culture=neutral,
PublicKeyToken=31bf3856ad364e35" />
</configSections>

   在本例中,我们将使用Northwind数据库Employees表的一个修改版本来进行查询任务。因为PasswordProvider接口需要返回 一个与UsernameToken对象的密码部分匹配的实际密码,所以通常,我们只需要使用WSE加密我们的用户名和密码,然后再通过网络传送给Web服 务。

  如果你在Solution Explorer中选中你的工程并在其上点击右键,你将看到在底部增加了一个新的菜单“WSE Settings”,你可以在其中设置所有重要的配置和其它使用WSE的配置:

   这可让我们很容易的设置Password Provider Implementation(密码提供者实现)元素,Decryption Key Provider Implementation(解密钥提供者)元素,X.509 Certificate(X.509 证书)设置,甚至是我们希望使用的Binary Security Tokens(二进制安全令牌)。此外,其他的选项卡还可以配置用于WSE管道的输入输出过滤器,配置路由,启动诊断功能等等。虽然它不能做我们想做的每 件事,但这是WSE易用化的一个良好的开端。

  PasswordProvider安全元素是web.config中的<configuration>父元素的一个子元素,它告诉WSE你使用哪个类来实现PasswordProvider接口:









<microsoft.web.services>
 <security>
  <!-- NAMESPACE . CLASSNAME , ASSEMBLYNAME -->
  <passwordProvider type="WSESecurity.WSEPasswordProvider, WSESecurity" />
 </security>
</microsoft.web.services>

  让我们看看在本例中如何实现它:









namespace WSESecurity
{
 public class WSEPasswordProvider : IPasswordProvider
 {
  public string GetPassword(UsernameToken token)
  {
   try
   {
    SqlConnection cn = new SqlConnection(System.Configuration.ConfigurationSettings.AppSettings["SqlConn"].ToString());
    cn.Open();
    SqlCommand cmd = new SqlCommand("SELECT Username, password from Employees where username ='" + token.Username + "'",cn);
    SqlDataReader dr = cmd.ExecuteReader(CommandBehavior.CloseConnection);
    dr.Read();
    return dr["password"].ToString();
   }
   catch(Exception ex)
   {
    throw new Exception (ex.Message);
   }
  }
 }
}

  上面我们给出的代码可以完全实现IPasswordProvider接口,通过用户名/密码来验证一个用户,当然了,还可以把它做得更复杂一些,这请读者们自己去完成。实际上,我们在编程的过程中基本没有写太多用户验证的代码,大部分工作都由WSE暗中处理了。
  六、编写一个使用WS-Security的WebMethod

   现在我们需要创建一个使用WS-Security的WebMethod。 这里,我实现了一个简单的方法,它运行Northwind数据库的CustOrderHist存储过程,接收一个字串UserID作为唯一的参数,并返回 一个DataSet。如果调用Web服务的客户端可以通过消息级UsernameToken验证,那么就可以取回DataSet。如果不能通过验证的话, 客户端将得到一个异常,告知它不能通过验证。WSE的优点在于你只要付出一点点劳动就可以了,大部分的工作已经由WSE在暗中为你完成了,所以你可以把大 部分时间花费在构建Web服务的内容上,而不是为了构建一个安全的Web服务机制而疲于奔命。









[WebMethod]
public DataSet CustOrderHist(string CustId)
{
 // 只接受 SOAP格式的请求
 SoapContext requestContext = HttpSoapContext.RequestContext;
 if(requestContext==null)
 {
  throw new ApplicationException("Non-SOAP request!");
 }
 bool valid=false;
 try
 {
  foreach(SecurityToken tkn in requestContext.Security.Tokens)
  {
   if(tkn is UsernameToken)
   valid=true;
  }
 }
 catch(Exception ex)
 {
  throw new Exception( ex.Message + ": " + ex.InnerException.Message);
 }
 if (valid==false)
  throw new ApplicationException("Invalid or Missing Security Token.");
 SqlConnection cn;
 SqlDataAdapter da;
 DataSet ds;
 cn = new SqlConnection(System.Configuration.ConfigurationSettings.AppSettings["SqlConn"].ToString());
 cn.Open();
 da = new SqlDataAdapter("custorderHist '" +CustId + "'", cn);
 ds = new DataSet();
 da.Fill(ds, "CustOrderHist");
 return ds;
}

   使用上面的WebMethod,我们就可在服务器上实现验证用户名/密码的操作。WebMethod必须引用 Microsoft.Web.Services和Microsoft.Web.Services.Security域名空间。现在,我们要构建一个 ASP.NET客户端,这个客户端能够发送验证所需的SOAP头,并可调用我们的Web服务方法。

  七、构建WSE ASP.NET客户端

   对于客户端,WSE提供了继承于System.Web.Services.Protocols.SoapHttpClientProtocol类的 Microsoft.Web.Services.WebServicesClientProtocol类。当你在Visual Studio.NET中选择“Add Web Reference”选项的时候,或者使用WSDL.exe程序创建基于WSDL的客户端代码时,你需要使用 SoapHttpClientProtocol类。你可做的就是使用Visual Studio.NET中的“Add Web Reference”选项或者WSDL.exe程序为你的客户端生成代理类,然后把代理类从继承于SoapHttpClientProtocol改为继承 于WebServicesClientProtocol。这样代理类就有了RequestSoapContext和 ResponseSoapContext属性,你可以使用它们访问你发送或接收的WS-Security头。在C#工程中,如果你已经使用了“Add Web Reference”选项,你可以点击Solution Explorer中的“Show All Files”按钮,点击这个按钮就可在Solution Explorer的Web References结点中显示Reference.cs文件,让你可以编辑这个文件。

  为了创建正确的UsernameToken和在消息级调用Web服务的代理方法,需要使用下面的代码:









private void Button1_Click(object sender, System.EventArgs e)
{
 localhost.SecurityServiceWse wse=new localhost.SecurityServiceWse();
 UsernameToken tkn = new UsernameToken(txtUsername.Text,txtPassword.Text,PasswordOption.SendHashed);
 wse.RequestSoapContext.Security.Tokens.Add (tkn);
 try
 {
  DataSet ds=wse.CustOrderHist(txtCustID.Text);
  DataGrid1.DataSource=ds;
  DataGrid1.DataBind();
 }
 catch(Exception ex)
 {
  DataGrid1.Visible=false;
  lblMessages.Text=ex.Message;
 }
}

   我们要做的就是从客户端的两个文本输入框txtUsername和txtPassword中取得输入字串,然后使用 PasswordOption.SendHashed把它们结合起来创建一个有效的UserNameToken。当调用Web服务时,WSE SOAP扩展验证请求的一般格式,然后核对密码散列并从我们的PasswordProvider方法中取得的密码。如果两者匹配,我们就可调用Web服务 方法,客户端返回数据集,显示在一个网格中。

  我们现在已经创建了一个完整的使用WSE配合数据库验证SHA1摘要散列用户名/密码的Web服务,希望读者们能通过本文了解到使用WSE保证Web服务安全的基本措施和方法,并能在实际工作中合理的去应用。

   在文章的最后,我们给出修改Northwind数据库Employees表的SQL脚本,给这个表添加了所需的username和password列, 同时在这个表中插入了一条新纪录,其Firstname、Lastname、Username、Password和roles字段分别为“User”, “One”,“user1”,“pass1”和“user”。

USE NORTHWIND
GO
ALTER TABLE [dbo]. Employees
ADD [Username] [varchar] (100) COLLATE SQL_Latin1_General_CP1_CI_AS NULL ,
[Password] [varchar] (100) COLLATE SQL_Latin1_General_CP1_CI_AS NULL ,
[roles] [varchar] (250) COLLATE SQL_Latin1_General_CP1_CI_AS NULL
GO
INSERT INTO EMPLOYEES (Firstname, Lastname,Username, [Password], roles)
VALUES('User','One', 'user1', 'pass1', 'user')
GO




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