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06、Shiro 编码加密

分类：安全框架 标签：

编码/加密

在涉及到密码存储问题上，应该加密 / 生成密码摘要存储，而不是存储明文密码。比如之前的 600w csdn 账号泄露对用户可能造成很大损失，因此应加密 / 生成不可逆的摘要方式存储。

编码 / 解码

Shiro 提供了 base64 和 16 进制字符串编码 / 解码的 API 支持，方便一些编码解码操作。Shiro 内部的一些数据的存储 / 表示都使用了 base64 和 16 进制字符串。

String str = "hello";
String base64Encoded = Base64.encodeToString(str.getBytes());
String str2 = Base64.decodeToString(base64Encoded);
Assert.assertEquals(str, str2); 

通过如上方式可以进行 base64 编码 / 解码操作，更多 API 请参考其 Javadoc。

String str = "hello";
String base64Encoded = Hex.encodeToString(str.getBytes());
String str2 = new String(Hex.decode(base64Encoded.getBytes()));
Assert.assertEquals(str, str2); 

通过如上方式可以进行 16 进制字符串编码 / 解码操作，更多 API 请参考其 Javadoc。

还有一个可能经常用到的类 CodecSupport，提供了 toBytes(str,”utf-8″) / toString(bytes,”utf-8″) 用于在 byte 数组 /String 之间转换。

散列算法

散列算法一般用于生成数据的摘要信息，是一种不可逆的算法，一般适合存储密码之类的数据，常见的散列算法如 MD5、SHA 等。一般进行散列时最好提供一个 salt（盐），比如加密密码 “admin”，产生的散列值是 “21232f297a57a5a743894a0e4a801fc3”，可以到一些 md5 解密网站很容易的通过散列值得到密码 “admin”，即如果直接对密码进行散列相对来说破解更容易，此时我们可以加一些只有系统知道的干扰数据，如用户名和 ID（即盐）；这样散列的对象是 “密码 + 用户名 +ID”，这样生成的散列值相对来说更难破解。

String str = "hello";
String salt = "123";
String md5 = new Md5Hash(str, salt).toString();//还可以转换为 toBase64()/toHex() 

如上代码通过盐 “123”MD5 散列 “hello”。另外散列时还可以指定散列次数，如 2 次表示：md5(md5(str))：“new Md5Hash(str, salt, 2).toString()”。

String str = "hello";
String salt = "123";
String sha1 = new Sha256Hash(str, salt).toString(); 

使用SHA256 算法生成相应的散列数据，另外还有如 SHA1、SHA512 算法。

Shiro 还提供了通用的散列支持：

String str = "hello";
String salt = "123";
//内部使用MessageDigest
String simpleHash = new SimpleHash("SHA-1", str, salt).toString(); 

通过调用 SimpleHash 时指定散列算法，其内部使用了 Java 的 MessageDigest 实现。

为了方便使用，Shiro 提供了 HashService，默认提供了 DefaultHashService 实现。

DefaultHashService hashService = new DefaultHashService(); //默认算法SHA-512
hashService.setHashAlgorithmName("SHA-512");
hashService.setPrivateSalt(new SimpleByteSource("123")); //私盐，默认无
hashService.setGeneratePublicSalt(true);//是否生成公盐，默认false
hashService.setRandomNumberGenerator(new SecureRandomNumberGenerator());//用于生成公盐。默认就这个
hashService.setHashIterations(1); //生成Hash值的迭代次数
HashRequest request = new HashRequest.Builder()
            .setAlgorithmName("MD5").setSource(ByteSource.Util.bytes("hello"))
            .setSalt(ByteSource.Util.bytes("123")).setIterations(2).build();
String hex = hashService.computeHash(request).toHex(); 

1、 首先创建一个DefaultHashService，默认使用SHA-512算法；
2、 以通过hashAlgorithmName属性修改算法；
3、 可以通过privateSalt设置一个私盐，其在散列时自动与用户传入的公盐混合产生一个新盐；
4、 可以通过generatePublicSalt属性在用户没有传入公盐的情况下是否生成公盐；
5、 可以设置randomNumberGenerator用于生成公盐；
6、 可以设置hashIterations属性来修改默认加密迭代次数；
7、 需要构建一个HashRequest，传入算法、数据、公盐、迭代次数；

SecureRandomNumberGenerator 用于生成一个随机数：

SecureRandomNumberGenerator randomNumberGenerator =
     new SecureRandomNumberGenerator();
randomNumberGenerator.setSeed("123".getBytes());
String hex = randomNumberGenerator.nextBytes().toHex(); 

加密 / 解密

Shiro 还提供对称式加密 / 解密算法的支持，如 AES、Blowfish 等；当前还没有提供对非对称加密 / 解密算法支持，未来版本可能提供。

AES算法实现：

AesCipherService aesCipherService = new AesCipherService();
aesCipherService.setKeySize(128); //设置key长度
//生成key
Key key = aesCipherService.generateNewKey();
String text = "hello";
//加密
String encrptText = 
aesCipherService.encrypt(text.getBytes(), key.getEncoded()).toHex();
//解密
String text2 =
 new String(aesCipherService.decrypt(Hex.decode(encrptText), key.getEncoded()).getBytes());
Assert.assertEquals(text, text2); 

更多算法请参考示例 com.github.zhangkaitao.shiro.chapter5.hash.CodecAndCryptoTest。

PasswordService/CredentialsMatcher

Shiro 提供了 PasswordService 及 CredentialsMatcher 用于提供加密密码及验证密码服务。

public interface PasswordService {
    //输入明文密码得到密文密码
    String encryptPassword(Object plaintextPassword) throws IllegalArgumentException;
}


public interface CredentialsMatcher {
    //匹配用户输入的token的凭证（未加密）与系统提供的凭证（已加密）
    boolean doCredentialsMatch(AuthenticationToken token, AuthenticationInfo info);
} 

Shiro 默认提供了 PasswordService 实现 DefaultPasswordService；CredentialsMatcher 实现 PasswordMatcher 及 HashedCredentialsMatcher（更强大）。

DefaultPasswordService 配合 PasswordMatcher 实现简单的密码加密与验证服务

1、 定义Realm（com.github.zhangkaitao.shiro.chapter5.hash.realm.MyRealm）；

public class MyRealm extends AuthorizingRealm {
    private PasswordService passwordService;
    public void setPasswordService(PasswordService passwordService) {
        this.passwordService = passwordService;
    }
     //省略doGetAuthorizationInfo，具体看代码 
    @Override
    protected AuthenticationInfo doGetAuthenticationInfo(AuthenticationToken token) throws AuthenticationException {
        return new SimpleAuthenticationInfo(
                "wu",                passwordService.encryptPassword("123"),
                getName());
    }
} 

为了方便，直接注入一个 passwordService 来加密密码，实际使用时需要在 Service 层使用 passwordService 加密密码并存到数据库。

2、 ini配置（shiro-passwordservice.ini）；

[main]
passwordService=org.apache.shiro.authc.credential.DefaultPasswordService
hashService=org.apache.shiro.crypto.hash.DefaultHashService
passwordService.hashService=$hashService
hashFormat=org.apache.shiro.crypto.hash.format.Shiro1CryptFormat
passwordService.hashFormat=$hashFormat
hashFormatFactory=org.apache.shiro.crypto.hash.format.DefaultHashFormatFactory
passwordService.hashFormatFactory=$hashFormatFactory
passwordMatcher=org.apache.shiro.authc.credential.PasswordMatcher
passwordMatcher.passwordService=$passwordService
myRealm=com.github.zhangkaitao.shiro.chapter5.hash.realm.MyRealm
myRealm.passwordService=$passwordService
myRealm.credentialsMatcher=$passwordMatcher
securityManager.realms=$myRealm 
  • passwordService 使用 DefaultPasswordService，如果有必要也可以自定义；
  • hashService 定义散列密码使用的 HashService，默认使用 DefaultHashService（默认 SHA-256 算法）；
  • hashFormat 用于对散列出的值进行格式化，默认使用 Shiro1CryptFormat，另外提供了 Base64Format 和 HexFormat，对于有 salt 的密码请自定义实现 ParsableHashFormat 然后把 salt 格式化到散列值中；
  • hashFormatFactory 用于根据散列值得到散列的密码和 salt；因为如果使用如 SHA 算法，那么会生成一个 salt，此 salt 需要保存到散列后的值中以便之后与传入的密码比较时使用；默认使用 DefaultHashFormatFactory；
  • passwordMatcher 使用 PasswordMatcher，其是一个 CredentialsMatcher 实现；
  • 将 credentialsMatcher 赋值给 myRealm，myRealm 间接继承了 AuthenticatingRealm，其在调用 getAuthenticationInfo 方法获取到 AuthenticationInfo 信息后，会使用 credentialsMatcher 来验证凭据是否匹配，如果不匹配将抛出 IncorrectCredentialsException 异常。

3、 测试用例请参考com.github.zhangkaitao.shiro.chapter5.hash.PasswordTest；

另外可以参考配置 shiro-jdbc-passwordservice.ini，提供了 JdbcRealm 的测试用例，测试前请先调用 sql/shiro-init-data.sql 初始化用户数据。

如上方式的缺点是：salt 保存在散列值中；没有实现如密码重试次数限制。

HashedCredentialsMatcher 实现密码验证服务

Shiro 提供了 CredentialsMatcher 的散列实现 HashedCredentialsMatcher，和之前的 PasswordMatcher 不同的是，它只用于密码验证，且可以提供自己的盐，而不是随机生成盐，且生成密码散列值的算法需要自己写，因为能提供自己的盐。

1、 生成密码散列值；

此处我们使用 MD5 算法，“密码 + 盐（用户名 + 随机数）” 的方式生成散列值：

String algorithmName = "md5";
String username = "liu";
String password = "123";
String salt1 = username;
String salt2 = new SecureRandomNumberGenerator().nextBytes().toHex();
int hashIterations = 2;
SimpleHash hash = new SimpleHash(algorithmName, password, salt1 + salt2, hashIterations);
String encodedPassword = hash.toHex(); 

如果要写用户模块，需要在新增用户 / 重置密码时使用如上算法保存密码，将生成的密码及 salt2 存入数据库（因为我们的散列算法是：md5(md5(密码 +username+salt2))）。

2、 生成Realm（com.github.zhangkaitao.shiro.chapter5.hash.realm.MyRealm2）；

protected AuthenticationInfo doGetAuthenticationInfo(AuthenticationToken token) throws AuthenticationException {
    String username = "liu"; //用户名及salt1
    String password = "202cb962ac59075b964b07152d234b70"; //加密后的密码
    String salt2 = "202cb962ac59075b964b07152d234b70";
SimpleAuthenticationInfo ai = 
        new SimpleAuthenticationInfo(username, password, getName());
    ai.setCredentialsSalt(ByteSource.Util.bytes(username+salt2)); //盐是用户名+随机数
        return ai;
} 

此处就是把步骤 1 中生成的相应数据组装为 SimpleAuthenticationInfo，通过 SimpleAuthenticationInfo 的 credentialsSalt 设置盐，HashedCredentialsMatcher 会自动识别这个盐。

如果使用 JdbcRealm，需要修改获取用户信息（包括盐）的 sql：“select password, password_salt from users where username = ?”，而我们的盐是由 username+password_salt 组成，所以需要通过如下 ini 配置（shiro-jdbc-hashedCredentialsMatcher.ini）修改：

jdbcRealm.saltStyle=COLUMN
jdbcRealm.authenticationQuery=select password, concat(username,password_salt) from users where username = ?
jdbcRealm.credentialsMatcher=$credentialsMatcher 
  • saltStyle 表示使用密码 + 盐的机制，authenticationQuery 第一列是密码，第二列是盐；
  • 通过 authenticationQuery 指定密码及盐查询 SQL；

此处还要注意 Shiro 默认使用了 apache commons BeanUtils，默认是不进行 Enum 类型转型的，此时需要自己注册一个 Enum 转换器 “BeanUtilsBean.getInstance().getConvertUtils().register(new EnumConverter(), JdbcRealm.SaltStyle.class);” 具体请参考示例 “com.github.zhangkaitao.shiro.chapter5.hash.PasswordTest” 中的代码。

另外可以参考配置 shiro-jdbc-passwordservice.ini，提供了 JdbcRealm 的测试用例，测试前请先调用 sql/shiro-init-data.sql 初始化用户数据。

3、 ini配置（shiro-hashedCredentialsMatcher.ini）；

[main]
credentialsMatcher=org.apache.shiro.authc.credential.HashedCredentialsMatcher
credentialsMatcher.hashAlgorithmName=md5
credentialsMatcher.hashIterations=2
credentialsMatcher.storedCredentialsHexEncoded=true
myRealm=com.github.zhangkaitao.shiro.chapter5.hash.realm.MyRealm2
myRealm.credentialsMatcher=$credentialsMatcher
securityManager.realms=$myRealm 
  • 通过 credentialsMatcher.hashAlgorithmName=md5 指定散列算法为 md5，需要和生成密码时的一样；
  • credentialsMatcher.hashIterations=2，散列迭代次数，需要和生成密码时的意义；
  • credentialsMatcher.storedCredentialsHexEncoded=true 表示是否存储散列后的密码为 16 进制，需要和生成密码时的一样，默认是 base64；

此处最需要注意的就是 HashedCredentialsMatcher 的算法需要和生成密码时的算法一样。另外 HashedCredentialsMatcher 会自动根据 AuthenticationInfo 的类型是否是 SaltedAuthenticationInfo 来获取 credentialsSalt 盐。

4、 测试用例请参考com.github.zhangkaitao.shiro.chapter5.hash.PasswordTest；

密码重试次数限制

如在1 个小时内密码最多重试 5 次，如果尝试次数超过 5 次就锁定 1 小时，1 小时后可再次重试，如果还是重试失败，可以锁定如 1 天，以此类推，防止密码被暴力破解。我们通过继承 HashedCredentialsMatcher，且使用 Ehcache 记录重试次数和超时时间。

com.github.zhangkaitao.shiro.chapter5.hash.credentials.RetryLimitHashedCredentialsMatcher：

public boolean doCredentialsMatch(AuthenticationToken token, AuthenticationInfo info) {
       String username = (String)token.getPrincipal();
        //retry count + 1
        Element element = passwordRetryCache.get(username);
        if(element == null) {
            element = new Element(username , new AtomicInteger(0));
            passwordRetryCache.put(element);
        }
        AtomicInteger retryCount = (AtomicInteger)element.getObjectValue();
        if(retryCount.incrementAndGet() > 5) {
            //if retry count > 5 throw
            throw new ExcessiveAttemptsException();
        }
        boolean matches = super.doCredentialsMatch(token, info);
        if(matches) {
            //clear retry count
            passwordRetryCache.remove(username);
        }
        return matches;
} 

如上代码逻辑比较简单，即如果密码输入正确清除 cache 中的记录；否则 cache 中的重试次数 +1，如果超出 5 次那么抛出异常表示超出重试次数了。