[大数据]Kerberos认证原理

Kerberos介绍

Kerberos是一种计算机网络授权(身份验证)协议，旨在通过秘钥加密技术为客户端/服务器应用程序提供身份验证，用来在非安全网络中，对个人通信以安全的手段进行身份认证，主要应用在域环境下的身份验证。

下图为大概的认证流程，共包含有三个重要的角色：Client、Server和KDC

相关名词介绍：

1. 访问服务的Client
2. 提供服务的Server
3. KDC（Key Distribution Center） 密钥分发中心，在KDC中又分为两个部分：Authentication Service（AS，身份验证服务）和Ticket Granting Service（TGS，票据授权服务）
4. DC是Domain Controller的缩写，即域控制器，对于一个Windows Domain来说，Domain Controller扮演着KDC的角色，AD是Active Directory的缩写,即活动目录。
   DC中有一个特殊用户叫做:krbtgt，它是一个无法登录的账户，是在创建域时系统自动创建的，是域控中用来管理发放票据的用户，在整个kerberos认证中会多次用到它的Hash值去做验证。
   AD会维护一个Account Database(账户数据库)，它存储了域中所有账户的名称、派生于该Account Password的Master Key（密码进行hash运算得到一个Hash code）和白名单。只有账户密码都在白名单中的Client才能申请到TGT。
5. Long-term Key/Master Key：长期不会进行变化的Key、以及由此派生的Key被称为Long-term Key，对于Long-term Key的使用有这样的原则：被Long-term Key加密的数据不应该在网络上传输。因为一旦这些被Long-term Key加密的数据包被恶意的网络监听者截获，理论上不变化总会被破解的。但是密码又是证明身份的凭据，所以必须通过基于密码的派生信息来证明用户的真实身份，在这种情况下，一般将你的密码进行Hash运算得到一个Hash code，被称为Master Key。由于Hash Algorithm是不可逆的，同时保证密码和Master Key是一一对应的，这样既保证了你密码的保密性，又同时保证你的Master Key和密码本身在证明你身份的时候具有相同的效力。
6. Short-term Key/Session Key：由于被Long-term Key加密的数据包不能用于网络传送，所以我们使用另一种Short-term Key来加密需要进行网络传输的数据。由于这种Key只在一段时间有效，即使被加密的数据包被截获，等破解出来早过期了。

大致流程介绍：
当Client想要访问Server上的某个服务时，需要先向AS证明自己的身份，验证通过后AS会发放的一个TGT，随后Client再次向TGS证明自己的身份，验证通过后TGS会发放一个ST，最后Client向Server发起认证请求，这个过程分为三块：

1. Client 与 AS 的交互，申请TGT（Ticket Granting Ticket）：首先Client向KDC发起对TGT的申请，申请的内容大致可以这样表示：“我需要一张TGT用以申请获取用以访问所有Server的Ticket”。KDC在收到该申请请求后，生成一个用于该Client和KDC进行安全通信的Session Key（SKDC-Client）。为了保证该Session Key仅供该Client和自己使用，KDC使用Client的Master Key和自己的Master Key对生成的Session Key进行加密，从而获得两个加密的SKDC-Client的Copy。对于后者，随SKDC-Client一起被加密的还包含以后用于鉴定Client身份的关于Client的一些信息。最后KDC将这两份Copy一并发送给Client。这里有一点需要注意的是：为了免去KDC对于基于不同Client的Session Key进行维护的麻烦，就像Server不会保存Session Key（SServer-Client）一样，KDC也不会去保存这个Session Key（SKDC-Client），而选择完全靠Client自己提供的方式，将这两个被加密的Copy一并发送给Client，属于Server的那份由Client发送给Server。
2. Client 与 TGS 的交互，申请用于访问Server的Ticket：当Client收到KDC的两个加密数据包之后，先使用自己的Master Key对第一个Copy进行解密，从而获得KDC和Client的Session Key（SKDC-Client），并把该Session 和TGT进行缓存。有了Session Key和TGT，Client自己的Master Key将不再需要，因为此后Client可以使用SKDC-Client向KDC申请用以访问每个Server的Ticket，相对于Client的Master Key这个Long-term Key，SKDC-Client是一个Short-term Key，安全保证得到更好的保障，这也是Kerberos多了这一步的关键所在。同时需要注意的是SKDC-Client是一个Session Key，他具有自己的生命周期，同时TGT和Session相互关联，当Session Key过期，TGT也就宣告失效，此后Client不得不重新向KDC申请新的TGT，KDC将会生成一个不同Session Key和与之关联的TGT。
   Client在获得自己和KDC的Session Key（SKDC-Client）之后，生成自己的Authenticator以及所要访问的Server名称的并使用SKDC-Client进行加密。随后连同TGT一并发送给TGS。TGS使用自己的Master Key对TGT进行解密，提取Client Info和Session Key（SKDC-Client），然后使用这个SKDC-Client解密Authenticator获得Client Info，对两个Client Info进行比较进而验证对方的真实身份。验证成功，生成一份基于Client所要访问的Server的Ticket给Client，注意，TGS在接收到这个请求的时候，生成一个Session Key（SServer-Client），为了保证这个Session Key仅仅限于发送请求的Client和他希望访问的Server知晓，TGS会为这个Session Key生成两个Copy，分别被Client和Server使用。然后从Account database中提取Client和Server的Master Key分别对这两个Copy进行对称加密。对于后者，和Session Key一起被加密的还包含关于Client的一些信息。
3. Client 与 Server 的交互，提交Ticket完成认证：Client通过自己的Master Key对TGS加密的Session Key进行解密从而获得Session Key（SServer-Client），随后创建Authenticator（Client Info + Timestamp）并用Session Key对其加密。最后连同从TGS获得的被Server的Master Key加密过的数据包（Client Info + Session Key）一并发送到Server端。我们把通过Server的Master Key加密过的数据包称为Session Ticket。
   当Server接收到这两组数据后，先使用他自己的Master Key对Session Ticket进行解密，从而获得Session Key。随后使用该Session Key解密Authenticator，通过比较Authenticator中的Client Info和Session Ticket中的Client Info从而实现对Client的认证。

第一步：AS（Authentication Service）Exchange

Client向KDC的Authentication Service发送Authentication Service Request（KRB_AS_REQ）, 为了确保KRB_AS_REQ仅限于自己和KDC知道，Client使用自己的Master Key对KRB_AS_REQ的主体部分进行加密（KDC可以通过Domain的Account Database获得该Client的Master Key）。KRB_AS_REQ的大体包含以下的内容：

1. Pre-authentication data：包含用以证明自己身份的信息。说白了，就是证明自己知道自己声称的那个account的Password。一般地，它的内容是一个被Client的Master key加密过的Timestamp（时间戳）。
2. Client name & realm: 简单地说就是Domain name\Client。
3. Server Name：注意这里的Server Name并不是Client真正要访问的Server的名称，而我们也说了TGT是和Server无关的（Client只能使用Ticket，而不是TGT去访问Server）。这里的Server Name实际上是KDC的Ticket Granting Service的Server Name。

Time Synchronization的重要性
基于Timestamp的认证机制只有在Client和Server端的时间保持同步的情况才有意义。所以保持Time Synchronization在整个认证过程中显得尤为重要。在一个Domain中，一般通过访问同一个Time Service获得当前时间的方式来实现时间的同步。

AS（Authentication Service）通过它接收到的KRB_AS_REQ验证发送方的是否是在Client name & realm中声称的那个人，也就是说要验证发送放是否知道Client的Password。所以AS只需从Account Database中提取Client对应的Master Key对Pre-authentication data进行解密，如果是一个合法的Timestamp（一般不超过5min，否则会拒绝请求），则可以证明发送放提供的是正确无误的密码。验证通过之后，AS将一份Authentication Service Response（KRB_AS_REP）发送给Client。KRB_AS_REQ主要包含两个部分：本Client的Master Key加密过的Session Key（SKDC-Client：Logon Session Key）和被自己（KDC）加密的TGT。而TGT大体又包含以下的内容：

1. Session Key: SKDC-Client：由于Client Log off也导致SKDC-Client的失效，所以SKDC-Client又被称为Logon Session Key。
2. Client name & realm: 简单地说就是Domain name\Client。
3. End time: TGT到期的时间。

Client通过自己的Master Key对第一部分解密获得Session Key（SKDC-Client：Logon Session Key）之后，携带着TGT便可以进入下一步：TGS（Ticket Granting Service）Exchange。

第二步：TGS（Ticket Granting Service）Exchange

TGS（Ticket Granting Service）Exchange通过Client向KDC中的TGS（Ticket Granting Service）发送Ticket Granting Service Request（KRB_TGS_REQ）开始。KRB_TGS_REQ大体包含以下的内容：

1. TGT：Client通过AS Exchange获得的Ticket Granting Ticket，TGT被KDC的Master Key进行加密。
2. Authenticator：用以证明当初TGT的拥有者是否就是自己，所以它必须以TGT和自己的Session Key（SKDC-Client：Logon Session Key）来进行加密。
3. Client name & realm: 简单地说就是Domain name\Client。
4. Server name & realm: 简单地说就是Domain name\Server，这回是Client试图访问的那个Server。

TGS收到KRB_TGS_REQ在发给Client真正的Ticket之前，先得证明Client提供的那个TGT是否是AS颁发给它的。于是它不得不通过Client提供的Authenticator来证明。但是Authentication是通过Logon Session Key（SKDC-Client）进行加密的，而自己并没有保存这个Session Key。所以TGS先得通过自己的Master Key对Client提供的TGT进行解密，从而获得这个Logon Session Key（SKDC-Client），再通过这个Logon Session Key（SKDC-Client）解密Authenticator进行验证。验证通过向对方发送Ticket Granting Service Response（KRB_TGS_REP）。这个KRB_TGS_REP有两部分组成：使用Logon Session Key（SKDC-Client）加密过用于Client和Server的Session Key（SServer-Client）和使用Server的Master Key进行加密的Ticket。该Ticket大体包含以下一些内容：

1. Session Key：SServer-Client。
2. Client name & realm: 简单地说就是Domain name\Client。
3. End time: Ticket的到期时间。

Client收到KRB_TGS_REP，使用Logon Session Key（SKDC-Client）解密第一部分后获得Session Key（SServer-Client）。有了Session Key和Ticket，Client就可以之间和Server进行交互，而无须在通过KDC作中间人了。所以我们说Kerberos是一种高效的认证方式，它可以直接通过Client和Server双方来完成，不像Windows NT 4下的NTLM认证方式，每次认证都要通过一个双方信任的第3方来完成。

我们现在来看看Client如果使用Ticket和Server怎样进行交互的，这个阶段通过我们的第3个Sub-protocol来完成：CS（Client/Server ）Exchange。

第三步：CS（Client/Server ）Exchange

Client通过TGS Exchange获得Client和Server的Session Key（SServer-Client），随后创建用于证明自己就是Ticket的真正所有者的Authenticator，并使用Session Key（SServer-Client）进行加密。最后将这个被加密过的Authenticator和Ticket作为Application Service Request（KRB_AP_REQ）发送给Server。除了上述两项内容之外，KRB_AP_REQ还包含一个Flag用于表示Client是否需要进行双向验证（Mutual Authentication）。

Server接收到KRB_AP_REQ之后，通过自己的Master Key解密Ticket，从而获得Session Key（SServer-Client）。通过Session Key（SServer-Client）解密Authenticator，进而验证对方的身份。验证成功，让Client访问需要访问的资源，否则直接拒绝对方的请求。

对于需要进行双向验证，Server从Authenticator提取Timestamp，使用Session Key（SServer-Client）进行加密，并将其发送给Client用于Client验证Server的身份。

User2User Sub-Protocol：有效地保障Server的安全

对于上面这三个过程，还是有点不安全的。上面提到过Long-term Key加密的数据不应该在网络中传递。对于3个Sub-Protocol中的C/S Exchange，Client携带的Ticket却是被Server Master Key进行加密的，这显现不符合我们提出的原则，降低Server的安全系数。

解决方案：在AS Exchange和TGS Exchange之间增加一个步骤，Client还得对Server进行请求已获得Server和KDC之间的Session Key（SKDC-Server）。

这个Session Key怎么来的，就是Server通过AS Exchange获得他和KDC之间的Session Key（SKDC-Server）和一个封装了这个Session Key并被KDC的Master Key进行加密的TGT，一旦获得这个TGT，Server会缓存它，以待Client对它的请求。

然后大概的步骤变成这样：

1. AS Exchange：Client通过此过程获得了属于自己的TGT，有了此TGT，Client可凭此向KDC申请用于访问某个Server的Ticket。
2. 这一步的主要任务是获得封装了Server和KDC的Session Key（SKDC-Server）的属于Server的TGT。如果该TGT存在于Server的缓存中，则Server会直接将其返回给Client。否则通过AS Exchange从KDC获取。
3. TGS Exchange：Client通过向KDC提供自己的TGT，Server的TGT以及Authenticator向KDC申请用于访问Server的Ticket。KDC使用先用自己的Master Key解密Client的TGT获得SKDC-Client，通过SKDC-Client解密Authenticator验证发送者是否是TGT的真正拥有者，验证通过再用自己的Master Key解密Server的TGT获得KDC和Server 的Session Key（SKDC-Server），并用该Session Key加密Ticket返回给Client。
4. C/S Exchange：Client携带者通过KDC和Server 的Session Key（SKDC-Server）进行加密的Ticket和通过Client和Server的Session Key（SServer-Client）的Authenticator访问Server，Server通过SKDC-Server解密Ticket获得SServer-Client，通过SServer-Client解密Authenticator实现对Client的验证。

文章来源：
https://blog.csdn.net/sky_jiangcheng/article/details/81070240
https://www.jianshu.com/p/23a4e8978a30

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