Windows安全认证是如何进行的?[Kerberos篇]

最近一段时间都在折腾安全(Security)方面的东西,比如Windows认证、非对称加密、数字证书、数字签名、TLS/SSL、WS-Security等。如果时间允许,我很乐意写一系列的文章与广大网友分享、交流。对于很多读者来说,今天讨论的可能是一个既熟悉、又陌生的话题——Windows认证。

目录 一、Kerberos认证简介 二、如何获得“认购权证”? 三、如何通过“认购权证”购买“入场券”? 四、凭票入场

一、Kerberos认证简介

Windows认证协议有两种NTLM(NT LAN Manager)和Kerberos,前者主要应用于用于Windows NT 和 Windows 2000 Server(or Later) 工作组环境,而后者则主要应用于Windows 2000 Server(or Later) 域(Domain)环境。Kerberos较之NTLM更高效、更安全,同时认证过程也相对复杂。Kerberos这个名字来源于希腊神话,是冥界守护神兽的名字。Kerberos是一个三头怪兽,之所以用它来命名一种完全认证协议,是因为整个认证过程涉及到三方:客户端、服务端和KDC(Key Distribution Center)。在Windows域环境中,KDC的角色由DC(Domain Controller)来担当。

某个用户采用某个域帐号登录到某台主机,并远程访问处于相同域中另一台主机时,如何对访问者和被访问者进行身份验证(这是一种双向的验证)?这就是Kerberos需要解决的场景。接下来我尽量以比较直白的语言来介绍我所知道的Kerberos认证的整个流程。

Kerberos实际上是一种基于票据(Ticket)的认证方式。客户端要访问服务器的资源,需要首先购买服务端认可的票据。也就是说,客户端在访问服务器之前需要预先买好票,等待服务验票之后才能入场。在这之前,客户端需要先买票,但是这张票不能直接购买,需要一张认购权证。客户端在买票之前需要预先获得一张认购权证。这张认购权证和进入服务器的入场券均有KDC发售。右图(点击看大图)一张图基本揭示了Kerberos整个认证的过程。

二、如何获得“认购权证”?

首先,我们来看看客户端如何获得“认购权证”。这里的认购权证有个专有的名称——TGT(Ticket Granting Ticket),而TGT的是KDC一个重要的服务——认证服务(KAS:Kerberos Authentication Service)。当某个用户通过输入域帐号和密码试图登录某台主机的时候,本机的Kerberos服务会向KDC的认证服务发送一个认证请求。该请求主要包括两部分内容,明文形式的用户名和经过加密的用于证明访问者身份的Authenticator(我实在找不到一个比较贴切的中文翻译没,Authenticator在这里可以理解为仅限于验证双反预先知晓的内容,相当于联络暗号)。

当KDC接收到请求之后,通过AD获取该用户的信息。通过获取的密码信息生成一个秘钥对Authenticator进行解密。如果解密后的内容和已知的内容一致,则证明请求着提供的密码正确,即确定了登录者的真实身份。

KAS成功认证对方的身份之后,会先生成一个用于确保该用户和KDC之间通信安全的会话秘钥——Logon Session Key,并采用该用户密码派生的秘钥进行加密。KAS接着为该用户创建“认购权证”——TGT。TGT主要包含两方面的内容:用户相关信息和Logon Session Key,而整个TGT则通过KDC自己的密钥进行加密。最终,被不同密钥加密的Logon Session Key和TGT返回给客户端。(以上的内容对应流程图中的步骤1、2)

三、如何通过“认购权证”购买“入场券”?

经过上面的步骤,客户端获取了购买进入同域中其他主机入场券的“认购凭证”——TGT,以及Logon Session Key,它会在本地缓存此TGT和Logon Session Key。如果现在它需要访问某台服务器的资源,它就需要凭借这张TGT向KDC购买相应的入场券。这里的入场券也有一个专有的名称——服务票据(ST:Service Ticket)。

具体来说,ST是通过KDC的另一个服务TGS(Ticket Granting Service)出售的。客户端先向TGS发送一个ST购买请求,该请求主要包含如下的内容:客户端用户名;通过Logon Session Key加密的Authenticator;TGT和访问的服务器(其实是服务)名。

TGS接收到请求之后,现通过自己的密钥解密TGT并获取Logon Session Key,然后通过Logon Session Key解密Authenticator,进而验证了对方的真实身份。

TGS存在的一个根本的目有两点:其一是避免让用户的密码客户端和KDC之间频繁传输而被窃取。其二是因为密码属于Long Term Key(我们一般不会频繁的更新自己的密码),让它作为加密密钥的安全系数肯定小于一个频繁变换得密钥(Short Term Key)。而这个Short Term Key就是Logon Session Key,它确保了客户端和KDC之间的通信安全。

TGS完成对客户端的认证之后,会生成一个用于确保客户端-服务器之间通信安全的会话秘钥——Service Session Key,该会话秘钥通过Logon Session Key进行加密。然后出售给客户端需要的入场券——ST。ST主要包含两方面的内容:客户端用户信息和Service Session Key,整个ST通过服务器密码派生的秘钥进行加密。最终两个被加密的Service Session Key和ST回复给客户端。(以上的内容对应流程图中的步骤3、4)

四、凭票入场

客户端接收到TGS回复后,通过缓存的Logon Session Key解密获取Service Session Key。同时它也得到了进入服务器的入场券——ST。那么它在进行服务访问的时候就可以借助这张ST凭票入场了。该Serivce Session Key和ST会被客户端缓存。

但是,服务端在接收到ST之后,如何确保它是通过TGS购买,而不是自己伪造的呢?这很好办,不要忘了ST是通过自己密码派生的秘钥进行加密的。具体的操作过程是这样的,除了ST之外,服务请求还附加一份通过Service Session Key加密的Authenticator。服务器在接收到请求之后,先通过自己密码派生的秘钥解密ST,并从中提取Service Session Key。然后通过提取出来的Service Session Key解密Authenticator,进而验证了客户端的真实身份。

实际上,到目前为止,服务端已经完成了对客户端的验证,但是,整个认证过程还没有结束。谈到认证,很多人都认为只是服务器对客户端的认证,实际上在大部分场合,我们需要的是双向验证(Mutual Authentication)——访问者和被访问者互相验证对方的身份。现在服务器已经可以确保客户端是它所声称的那么用户,客户端还没有确认它所访问的不是一个钓鱼服务呢。

为了解决客户端对服务器的验证,服务要需要将解密后的Authenticator再次用Service Session Key进行加密,并发挥给客户端。客户端再用缓存的Service Session Key进行解密,如果和之前的内容完全一样,则可以证明自己正在访问的服务器和自己拥有相同的Service Session Key,而这个会话秘钥不为外人知晓(以上的内容对应流程图中的步骤5、6)

以上的内容仅仅讲述的是基于Kerberos的Windows认证的大体流程,并不涉及到一些细节的东西,比如如何确保时间的同步,如何抵御Replay Attack等。此外,由于本文对Windows底层的知识有限,不能确保所有的内容都是完全正确,如有错误,还往不吝指正。

Windows安全认证是如何进行的?[Kerberos篇] Windows安全认证是如何进行的?[NTLM篇]

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