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解锁Apache Shiro：新手友好的安全框架指南(一)——整体架构与身份认证_apache shiro的配置包括安全管理器(3)

作者：不正经 | 2024-05-08 00:37:47

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解锁Apache Shiro：新手友好的安全框架指南(一)——整体架构与身份认证_apache shiro的配置包括安全管理器(3)

  

**项目结构**：  
 ![项目结构如下](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/a2227acfc46848c69879f526a4e2a3a8.png)  
 Shiro 支持 INI 格式来构建`SecurityManager`对象及其组件，在本案例中将使用`[users]`小节，定义一组静态的用户账户。




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[users]
wzz = 123456abc
zyy = 87667


  

Main 的完整代码如下，我将分块分析这部分代码：




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import org.apache.shiro.SecurityUtils;
import org.apache.shiro.authc.AuthenticationException;
import org.apache.shiro.authc.UsernamePasswordToken;
import org.apache.shiro.config.IniSecurityManagerFactory;
import org.apache.shiro.mgt.SecurityManager;
import org.apache.shiro.subject.Subject;
import org.apache.shiro.util.Factory;

public class Main {
public static void main(String[] args) {
Factory factory = new IniSecurityManagerFactory(“classpath:shiro.ini”);
SecurityManager securityManager = factory.getInstance();
SecurityUtils.setSecurityManager(securityManager);

    UsernamePasswordToken wzzToken = new UsernamePasswordToken("wzz", "123456abc"); // 密码正确
    wzzToken.setRememberMe(true);
    UsernamePasswordToken zyyToken = new UsernamePasswordToken("zyy", "1111"); // 密码错误
    
    Subject subject = SecurityUtils.getSubject();
    try {
        subject.login(wzzToken);
        System.out.println("wzz 身份验证成功");
    } catch (AuthenticationException e) {
        System.out.println("wzz 身份认证失败");
    } finally {
        subject.logout();
    }

    try {
        subject.login(zyyToken);
        System.out.println("wzz 身份验证成功");
    } catch (AuthenticationException e) {
        System.out.println("zyy 身份认证失败");
    }finally {
        subject.logout();
    }
}

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}


  

#### Step 0：依据 INI 配置构建 SecurityManager


Shiro 支持 INI 格式来构建`SecurityManager`对象及其支持组件。INI 易于阅读，易于配置，易于设置，非常适合大多数应用程序。INI 配置文件可以从文件系统、类路径或 url 中获取，前缀分别为`file:`、`classpath:`或`url:`。  
 案例中 INI 配置文件位于 resources 目录下，即从类路径加载，通过`IniSecurityManagerFactory`实例可以根据配置生成`SecurityManager`实例，通过`SecurityUtils.setSecurityManager`注册为全局安全管理器。




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import org.apache.shiro.SecurityUtils;
import org.apache.shiro.util.Factory;
import org.apache.shiro.mgt.SecurityManager;
import org.apache.shiro.config.IniSecurityManagerFactory;

…

Factory factory = new IniSecurityManagerFactory(“classpath:shiro.ini”);
SecurityManager securityManager = factory.getInstance();
SecurityUtils.setSecurityManager(securityManager);


  

#### Step1：收集用户身份和凭证




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UsernamePasswordToken wzzToken = new UsernamePasswordToken(“wzz”, “123456abc”);
wzzToken.setRememberMe(true);


1. `UsernamePasswordToken`是最常用的身份认证 token，使用该 token 可以**绑定用户名和密码**。用户密码可以通过多种方式传递给应用（例如：web 表单、HTTP 头、命令行）。在Shiro中，如何获取它们并不重要——它与协议无关。
2. `setRememberMe()`：使应用在用户返回后能记住用户身份。


#### Step2：提交身份、凭证给认证系统


收集了用户提交的 token 中的信息，并设置记住用户身份后，下一步是将 token 交给认证系统。在 Shiro 中，`Realm`组件负责：


* 查询存储在持久层（如：数据库）中的账户信息；
* 与提交的 token 中的 principal 和 credential 相互比较；


换句话来说，`Realm`实例就是 Shiro 中用于**安全领域**针对**特定数据源**的数据访问对象（DAO）。




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    Subject subject = SecurityUtils.getSubject(); // (1)
    try {
        subject.login(wzzToken);  //(2)
        System.out.println("wzz 身份验证成功");
    } catch (AuthenticationException e) { // （3）
        System.out.println("wzz 身份认证失败");
    } finally {
        subject.logout(); // (3)
    }

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**标记(1)**：获取当前执行线程的主题(Subject)，在 Shiro 中每个执行线程均有一个`Subject`实例，使用`SecurityUtils.getSubject()`可获取。该实例表示**与系统交互的当前用户是谁**，在登录前，subject 是**匿名的**，没有任何与它相关的身份数据。  
 **标记(2)**：有了`Subject`实例作为用户身份数据的表示后，调用`Subject#login`方法，提交 Step1 构造的令牌 wzzToken，进行**身份验证**。  
 如果`login()`方法调用成功，用户成功登录并与一个账户或身份相关联。从此开始，用户可以使用该应用，并在会话期间或更长时间内保持身份（因为设置了Remember Me）。  
 **标记(3)**：当用户使用完应用程序后，调用`logout()`执行注销操作，注销操作将**关闭用户会话**，并从 subject 实例中**移除任何相关的身份信息**。


### 多Realm认证序列


很多情况下，SecurityManager 管理了不止一个 Realm 实例，这引出了如下问题：


* 身份认证时，管理器会以什么顺序编排 Realm 实例，从而将 Token 逐个提交给这些 Realm，完成与【持久层中存储的身份信息】的比对。
* subject.login(token) 的成功条件是什么？  
 如果只有一个 Realm，这个问题很容易回答，Realm 实例查询得到的凭证(credentials) 与提交的 Token 匹配，登录操作成功。  
 如果存在多个 Realm，根据上述标准，可能出现如下场景：全部 Realm 的认证尝试均成功、部分 Realm 认证成功而剩余的 Realm 认证录失败、所有 Realm 认证尝试均失败。  
 由此，我们引出 **身份认证策略 AuthenticationStrategy** 这一概念，根据用户指定的认证策略，安全管理器才能确定登录操作是否成功。


#### Shiro 身份认证流程


Shiro 与身份认证的流程分为五个步骤，涉及的相关组件如下：  
 ![身份认证架构图](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/a98f08ac7be740928fe6d7571b3175dc.png)  
 **步骤1**：应用程序传入`AuthenticationToken`代表最终用户主体(principal)和凭证(credential)的构造实例。  
 **步骤2**：`Subject`实例（通常为`DelegatingSubject`实例）login方法调用`SecurityManager#login`，开始实际的身份验证工作。


**步骤3**：`SecurityManager`将认证工作委托给内部实例`authenticator.authenticate(token)`，authenticator 总是为`ModularRealmAuthenticator`实例，它支持**将账户查询委派给Realm集合**。


**步骤4**：如果应用中配置了不止1个`Realm`，`ModularRealmAuthenticator`实例将根据其配置的`AuthenticationStrategy`，使用多个Realm尝试进行身份认证。在调用 Realms 进行**身份认证之前**、**期间**和**之后**， `AuthenticationStrategy`将用于对 Realm 查询的结果作出反应。


**步骤5**：认证过程中，会通过`Realm#supports`方法判断，Realm 是否支持提交的`AuthenticationToken`实例。如果当前Realm 支持该令牌类型，`Realm#getAuthenticationInfo`方法将被调用。


  

为了印证上述描述并加深理解，下面展示并解说`ModularRealmAuthenticator#doMultiRealmAuthentication`方法：




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protected AuthenticationInfo doMultiRealmAuthentication(Collection realms, AuthenticationToken token) { // (1)
AuthenticationStrategy strategy = getAuthenticationStrategy(); // 获取认证策略
AuthenticationInfo aggregate = strategy.beforeAllAttempts(realms, token); // (2)

for (Realm realm : realms) {
    try {
        aggregate = strategy.beforeAttempt(realm, token, aggregate); // (3)
    } catch (ShortCircuitIterationException shortCircuitSignal) {
        // Break from continuing with subsequnet realms on receiving 
        // short circuit signal from strategy
        break;
    }

    if (realm.supports(token)) { // (4)
        AuthenticationInfo info = null;
        Throwable t = null;
        try {
            info = realm.getAuthenticationInfo(token); // (5)
        } catch (Throwable throwable) {
            t = throwable;
        }

        aggregate = strategy.afterAttempt(realm, token, info, aggregate, t); // (6)
    }
}

aggregate = strategy.afterAllAttempts(token, aggregate); // (7)
return aggregate;

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}


**注释(1)**：入参 realms 为应用配置的`Realm`实例集合，token 一般为用户登录的 id 和密码 (或令牌)；  
 **注释(2)、(3)、(6)、(7)**：`AuthenticationStrategy`提供的扩展点，用于在使用 Realm 集合中的实例**查询账户信息的各个阶段**，处理 Realm 返回结果。（分别是：开始身份认证前[2]、特定的Realm查询前[3]、特定的Realm实例查询完成后[6]、完成身份认证后[7] ）。下面我以`AtLeastOneSuccessfulStrategy`为例，简略介绍四个扩展点的实现：


* `beforeAllAttempts`：实例化`SimpleAuthenticationInfo`并返回。
* `beforeAttempt`：直接返回 aggregate，不做处理。
* `afterAttempt`：如果聚合的认证信息 aggregateInfo 为空，初始化为 singleRealmInfo；如果非空，使用`MergableAuthenticationInfo#merge`**合并**多个Realm实例返回的认证信息。  
 ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/63c6d250d15b4f688bd09eed91b94633.png)
* `afterAllAttempts`：如果 aggregate 中至少包含一个账户(principal)信息，则返回 aggregate；否则，抛出AuthenticationException。这里可以看出，该认证策略要求用户提交的 Token **至少要在一个 Realm 实例通过认证**，才能认定登录操作成功。


  

**注释(4)**：`supports`方法判断 token 是否为`Realm`实例支持的类型。本质是调用应用实现的`getAuthenticationTokenClass()`方法。




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public boolean supports(AuthenticationToken token) {
return token != null && getAuthenticationTokenClass().isAssignableFrom(token.getClass());
}


**注释(5)**：调用`Realm#getAuthenticationInfo`查询身份认证信息，并与提交的 Token 匹配，返回值为`AuthenticationInfo`类型。  
 ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/fb3c35e66bb246d5a259f3faff1af808.png)


#### AuthenticationStrategy


当为应用程序配置两个以上 Realm 时，`ModularRealmAuthenticator`依赖内部的`AuthenticationStrategy`组件来确定身份验证尝试成功或失败的条件。  
 `AuthenticationStrategy`组件是无状态的，在身份认证过程中，会在如下四个阶段被使用：


1. 在调用任何 Realm 之前；
2. 在调用单个 Realm 的 getAuthenticationInfo 方法之前；
3. 在调用单个 Realm 的 getAuthenticationInfo 方法之后立即调用；
4. 在调用了所有 Realm 之后；


另外，`AuthenticationStrategy`负责**聚合**来自每个成功`Realm`的结果，并将它们合并到单个`AuthenticationInfo`实例中。这个最终的聚合 AuthenticationInfo 实例是由 Authenticator 实例返回的，Shiro 最终用它**表示 Subject 实例的身份信息**。  
   



Shiro有 3 个具体的`AuthenticationStrategy`实现:


* `AtLeastOneSuccessfulStrategy`：如果至少一个 Realm 认证成功，总体的尝试被认为是成功的。如果没有任何 Realm 认证成功，尝试失败。
* `FirstSuccessfulStrategy`：只有从第一个成功验证的 Realm 返回的信息才会被使用。所有其他领域都将被忽略。如果没有认证成功，则尝试失败。
* `AllSuccessfulStrategy`：所有配置的 Realm 必须通过身份验证才能被认为是成功的。如果任何一个身份验证不成功，则尝试失败。


`ModularRealmAuthenticator`默认使用`AtLeastOneSuccessfulStrategy`策略：  
 ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/cdb1ccdaadb944eeacaf2f40433d8a4c.png)  
 如果要更换为`FirstSuccessfulStrategy`策略，可在 shiro.ini 中进行如下配置：




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[main]
authStrategy = org.apache.shiro.authc.pam.FirstSuccessfulStrategy
securityManager.authenticator.authenticationStrategy = $authStrategy


  

#### 配置Realms认证策略


当执行身份验证尝试时，`ModularRealmAuthenticator`将迭代遍历`Collection<Realm>`，对于支持提交的 AuthenticationToken 的每个 Realm，调用 Realm#getAuthenticationInfo 方法。  
 应用程序可以通过 shiro.ini 配置 Realm 执行的顺序：


* 隐式顺序：Realm 实例将按照 ini 文件中定义的顺序被调用。




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blahRealm = com.company.blah.Realm
…
fooRealm = com.company.foo.Realm
…
barRealm = com.company.another.Realm


`SecurityManager`按照如下顺序`blahRealm->fooRealm->barRealm`调用 Realm 实例尝试身份认证。


* 显式顺序：设置 SecurityManager 实例的 realms 属性，显式指定 Realm 实例调用顺序。




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blahRealm = com.company.blah.Realm
…
fooRealm = com.company.foo.Realm
…
barRealm = com.company.another.Realm
securityManager.realms = $fooRealm, $blahRealm, $barRealm


本例中，Realm 调用顺序为：`fooRealm-->blahRealm-->barRealm`，这**与声明的顺序无关**。


  

### Realm认证流程详解


在【Shiro 身份认证流程】小节中，我介绍了当用户提交 Token 后，Shiro 框架的整体认证流程，其中提到当 SecurityManager 配置了多个 Realm 实例时，认证器`ModularRealmAuthenticator`实例会将账户**查询与匹配**工作分配给 Realm 集合。  
   



#### 校验令牌类型


这一节，我将介绍 Realm 实例收到认证器传递的账户信息后的认证流程，在此之前先让大家看一个异常：




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java.lang.RuntimeException: org.apache.shiro.authc.pam.UnsupportedTokenException: Realm [cn.wzz.gateway.authorization.GatewayAuthorizingRealm@6b09bb57] does not support authentication token [cn.wzz.gateway.authorization.GatewayAuthorizingToken@6536e911].
Please ensure that the appropriate Realm implementation is configured correctly or that the realm accepts AuthenticationTokens of this type.


注意到异常描述`Realm does not support authentication token[GatewayAuthorizingToken]`，这个异常出现的原因为 GatewayAuthorizingToken 类型不被当前配置的 GatewayAuthorizingRealm 支持。  
   
  
 在使用 Realm 实例尝试身份认证前，它的 supports 方法会被调用，只有当 supports 返回true时，`realm.getAuthenticationInfo(token)`方法才会调用。  
 Realm 会**使用 supports 检查提交的 token 的类型**，判断是否能处理该类型的令牌。如果某个 Realm 实例用于认证生物特征信息（指纹、刷脸等），它很可能不能理解UsernamePasswordToken（用户名+密码），这种情况下会返回false。  
 ![supports方法](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/b114011d35024143ae0dd2d6b905c14f.png)  
 解决措施：  
 **方案一**：在`GatewayAuthorizingRealm`中重写 supports 方法，supports方法用于检验当前 Realm 是否能处理某个类型的 token 实例。


**方案二**：重写`getAuthenticationTokenClass()`方法，配置该 Realm 处理的令牌类型。




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// 配置Realm支持的Token类型, supports方法会校验
@Override
public Class<?> getAuthenticationTokenClass() {
return GatewayAuthorizingToken.class;
}


  

#### 处理支持的令牌类型


如果 Realm 支持认证提交的令牌类型，Authenticator 将调用 Realm 的getAuthenticationInfo(token) 方法，该方法的步骤如下：


1. 检查 token 标识的 principal 信息，例如：获取账户 id；
2. 基于 principal，利用数据源**查询对应的账户数据**。
3. 确保 token 中提供的 credentials 与存储在数据源中的账户信息匹配，例如：验证登录密码的正确性。
4. 如果 credentials 匹配，返回一个`AuthenticationInfo`实例，该实例以 Shiro 理解的格式封装帐户数据。
5. 如果 credentials 不匹配，抛出`AuthenticationException`异常。



> 
> 直接实现 Realm 接口可能既耗时又容易出错，通常只需要实现`AuthorizingRealm`抽象类的子类，这个类实现了常见的身份验证和授权工作流。
> 
> 
> 


  
 `org.apache.shiro.realm.AuthenticatingRealm`抽象类的 getAuthenticationInfo 方法按照上述算法模板进行实现： 
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/090b115b017e450099daa02633021e78.png)


1. `getCachedAuthenticationInfo`：尝试从缓存中获取账户数据 AuthenticationInfo；
2. `doGetAuthenticationInfo`：若缓存中没有账户数据，则去对应的数据源查询，该方法是抽象的，继承该抽象类的实现类负责实现。
3. `cacheAuthenticationInfoIfPossible`：查询到账户数据后，如果开启了账户数据缓存则缓存账户数据。
4. `assertCredentialsMatch`：利用 Realm 绑定的 credentialsMatcher **执行凭证匹配**，若匹配失败，抛出 IncorrectCredentialsException。


  

#### 凭证匹配


将【用户提交的凭证 Credential 】与【存储在 Realm 的后台数据存储中的凭证】匹配是每个 Realm 的责任，因为每个 Realm 都熟悉特定的凭证格式和存储方式，而Authenticator是一个通用的工作流组件。  



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