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Kerberos起源于希腊神话,是一支守护着冥界长着3个头颅的神犬,Kerberos的3个头颅分别代表:KDC(Kerberos Distribution Center),Client和Server。KDC作为domain controller,主要提供两种服务: Authentication Service (AS) 和 Ticket-Granting Service (TGS)。
KDC在整个Kerberos Authentication中作为Client和Server共同信任的第三方起着重要的作用,而Kerberos的认证过程就是通过这3方协作完成。对于一个Windows Domain来说,Domain Controller扮演着KDC的角色。KDC维护着一个存储着该Domain中所有帐户的Account Database(一般地,这个Account Database由AD来维护),也就是说,他知道属于每个Account的名称和派生于该Account Password的Master Key。
当Client需要初始访问一个Sever的时候,需要进行Kerberos整个认证过程通过3个sub-protocol来完成。这个3个Sub-Protocol分别为:
- Authentication Service Exchange (AS Exchange)
- Ticket Granting Service Exchange (TGS Exchange)
- Client/Server Exchange (CS Exchange)
1. Authentication Service Exchange
通过这个Sub-protocol,KDC中的Authentication Service实现对Client身份的确认,并颁发给该Client一个TGT。具体过程如下:
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:
- 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。
- Client name & realm: 简单地说就是Domain name\Client
- 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。
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,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:
- Session Key: SKDC-Client:Logon Session Key
- Client name & realm: 简单地说就是Domain name\Client
- 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。
2. 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:
- TGT:Client通过AS Exchange获得的Ticket Granting Ticket,TGT被KDC的Master Key进行加密。
- 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的颁发方(KDC)和自己(Client)的Session Key(SKDC-Client:Logon Session Key)来进行加密。
- Client name & realm: 简单地说就是Domain name\Client。
- 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,先得整个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:
- Session Key:SServer-Client。
- Client name & realm: 简单地说就是Domain name\Client。
- 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。
Authenticator - 为有效的证明自己提供证据
通过上面的过程,Client实际上获得了两组信息:一个通过自己Master Key加密的Session Key,另一个被Sever的Master Key加密的数据包,包含Session Key和关于自己的一些确认信息。一般而言,只要通过一个双方知晓的Key就可以对对方进行有效的认证,但是在一个网络的环境中,这种简单的做法是具有安全漏洞,为此,Client需要提供更多的证明信息,我们把这种证明信息称为Authenticator,在Kerberos的Authenticator实际上就是关于Client的一些信息和当前时间的一个Timestamp。
3. 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。
为何要用Timestamp
我们试想这样的现象:Client向Server发送的数据包被某个恶意网络监听者截获,该监听者随后将数据包座位自己的Credential冒充该Client对Server进行访问,在这种情况下,依然可以很顺利地获得Server的成功认证。为了解决这个问题,Client在Authenticator中会加入一个当前时间的Timestamp。
在Server对Authenticator中的Client Info和Session Ticket中的Client Info进行比较之前,会先提取Authenticator中的Timestamp,并同当前的时间进行比较,如果他们之间的偏差超出一个可以接受的时间范围(一般是5mins),Server会直接拒绝该Client的请求。在这里需要知道的是,Server维护着一个列表,这个列表记录着在这个可接受的时间范围内所有进行认证的Client和认证的时间。对于时间偏差在这个可接受的范围中的Client,Server会从这个这个列表中获得最近一个该Client的认证时间,只有当Authenticator中的Timestamp晚于通过一个Client的最近的认证时间的情况下,Server采用进行后续的认证流程。
双向认证(Mutual Authentication)
Kerberos一个重要的优势在于它能够提供双向认证:不但Server可以对Client 进行认证,Client也能对Server进行认证。
具体过程是这样的,如果Client需要对他访问的Server进行认证,会在它向Server发送的Credential中设置一个是否需要认证的Flag。Server在对Client认证成功之后,会把Authenticator中的Timestamp提出出来,通过Session Key进行加密,当Client接收到并使用Session Key进行解密之后,如果确认Timestamp和原来的完全一致,那么他可以认定Server正式他试图访问的Server。
那么为什么Server不直接把通过Session Key进行加密的Authenticator原样发送给Client,而要把Timestamp提取出来加密发送给Client呢?原因在于防止恶意的监听者通过获取的Client发送的Authenticator冒充Server获得Client的认证。
User2User Sub-Protocol:有效地保障Server的安全
先引入两个重要概念:
- Long-term Key/Master Key:在Security的领域中,有的Key可能长期内保持不变,比如你在密码,可能几年都不曾改变,这样的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。原因很简单,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,在原则上,只要有充足的时间,他是可以通过计算获得你用于加密的Long-term Key的——任何加密算法都不可能做到绝对保密。
- 在一般情况下,对于一个Account来说,密码往往仅仅限于该Account的所有者知晓,甚至对于任何Domain的Administrator,密码仍然应该是保密的。但是密码却又是证明身份的凭据,所以必须通过基于你密码的派生的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, 我们一般管这样的Hash Code叫做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,有同时保证你的Master Key和密码本身在证明你身份的时候具有相同的效力。
- 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只在一段时间内有效,即使被加密的数据包被黑客截获,等他把Key计算出来的时候,这个Key早就已经过期了。
基于3个Sub-protocol的Kerberos作为一种Network Authentication是具有它自己的局限和安全隐患的。以某个Entity的Long-term Key加密的数据不应该在网络中传递。原因很简单,所有的加密算法都不能保证100%的安全,对加密的数据进行解密只是一个时间的过程,最大限度地提供安全保障的做法就是:使用一个Short-term key(Session Key)代替Long-term Key对数据进行加密,使得恶意用户对其解密获得加密的Key时,该Key早已失效。但是对于3个Sub-Protocol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。
所以我们必须寻求一种解决方案来解决上面的问题。这个解决方案很明显:就是采用一个Short-term的Session Key,而不是Server Master Key对Ticket进行加密。这就是我们今天要介绍的Kerberos的第4个Sub-protocol:User2User Protocol。我们知道,既然是Session Key,仅必然涉及到两方,而在Kerberos整个认证过程涉及到3方:Client、Server和KDC,所以用于加密Ticket的只可能是Server和KDC之间的Session Key(SKDC-Server)。
我们知道Client通过在AS Exchange阶段获得的TGT从KDC那么获得访问Server的Ticket。原来的Ticket是通过Server的Master Key进行加密的,而这个Master Key可以通过Account Database获得。但是现在KDC需要使用Server和KDC之间的SKDC-Server进行加密,而KDC是不会维护这个Session Key,所以这个Session Key只能靠申请Ticket的Client提供。所以在AS Exchange和TGS Exchange之间,Client还得对Server进行请求已获得Server和KDC之间的Session Key(SKDC-Server)。而对于Server来说,它可以像Client一样通过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。我们现在来详细地讨论这一过程。
上图基本上翻译了基于User2User的认证过程,这个过程由4个步骤组成。我们发现较之我在上面一节介绍的基于传统3个Sub-protocol的认证过程,这次对了第2部。我们从头到尾简单地过一遍:
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
Kerberos的优点
分析整个Kerberos的认证过程之后,我们来总结一下Kerberos都有哪些优点:
1.较高的Performance
虽然我们一再地说Kerberos是一个涉及到3方的认证过程:Client、Server、KDC。但是一旦Client获得用过访问某个Server的Ticket,该Server就能根据这个Ticket实现对Client的验证,而无须KDC的再次参与。和传统的基于Windows NT 4.0的每个完全依赖Trusted Third Party的NTLM比较,具有较大的性能提升。
2.实现了双向验证(Mutual Authentication)
传统的NTLM认证基于这样一个前提:Client访问的远程的Service是可信的、无需对于进行验证,所以NTLM不曾提供双向验证的功能。这显然有点理想主义,为此Kerberos弥补了这个不足:Client在访问Server的资源之前,可以要求对Server的身份执行认证。
3.对Delegation的支持
Impersonation和Delegation是一个分布式环境中两个重要的功能。Impersonation允许Server在本地使用Logon 的Account执行某些操作,Delegation需用Server将logon的Account带入到另过一个Context执行相应的操作。NTLM仅对Impersonation提供支持,而Kerberos通过一种双向的、可传递的(Mutual 、Transitive)信任模式实现了对Delegation的支持。
4.互操作性(Interoperability)
Kerberos最初由MIT首创,现在已经成为一行被广泛接受的标准。所以对于不同的平台可以进行广泛的互操作。
参考文章
- Kerberos认证原理
- Kerberos Explained
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