CAS实现SSO单点登录原理
1、 CAS简介
1.1. Whatis CAS？
CAS（Central Authentication Service）是Yale大学发起的一个企业级的开源的项目，旨在为Web应用系统提供一种可靠的单点登录解决方法（属于Web SSO）。
CAS开始于 2001年， 并在2004年12月正式成为JA-SIG的一个项目。
1.2. 主要特性
1、开源的、多协议的SSO 解决方案；Protocols ：Custom Protocol 、CAS 、OAuth 、OpenID 、RESTful API 、SAML1.1 、SAML2.0 等。
2、支持多种认证机制：Active Directory 、JAAS 、JDBC 、LDAP 、X.509 Certificates 等；
3、安全策略：使用票据（Ticket）来实现支持的认证协议；
4、支持授权：可以决定哪些服务可以请求和验证服务票据（Service Ticket）；
5、提供高可用性：通过把认证过的状态数据存储在 TicketRegistry 组件中，这些组件有很多支持分布式环境的实现，如：BerkleyDB、Default、EhcacheTicketRegistry、JDBCTicketRegistry、JBOSS TreeCache、JpaTicketRegistry、MemcacheTicketRegistry 等；
6、支持多种客户端：Java 、.Net 、PHP 、Perl 、Apache, uPortal 等。
2、 SSO单点登录原理
本文内容主要针对Web SSO 。
2.1、什么是SSO
单点登录（Single Sign-On ,简称SSO）是目前比较流行的服务于企业业务整合的解决方案之一，SSO使得在多个应用系统中，用户只需要登录一次就可以访问所有相互信任的应用系统。
2.2、SSO原理
2.2.1、SSO体系中的角色
一般SSO体系主要角色有三种：
1、User（多个）
2、Web 应用（多个）
3、SSO 认证中心（1个）
2.2.2、SSO实现模式的原则
SSO实现模式一般包括以下三个原则：
1、所有的认证登录都在SSO 认证中心进行；
2、SSO认证中心通过一些方法来告诉Web应用当前访问用户究竟是不是已通过认证的用户；
3、SSO认证中心和所有的Web应用建立一种信任关系，也就是说web应用必须信任认证中心。（单点信任）
2.2.3、 SSO主要实现方式
SSO的主要实现方式有：
1、共享cookies
基于共享同域的cookie是Web刚开始阶段时使用的一种方式，它利用浏览同域名之间自动传递cookies机制，实现两个域名之间系统令牌传递问题；另外，关于跨域问题，虽然cookies本身不跨域，但可以利用它实现跨域的SSO。如：代理、暴露SSO令牌值等。
缺点：不灵活而且有不少安全隐患，已经被抛弃。
2、Broker-based( 基于经纪人)
这种技术的特点就是，有一个集中的认证和用户帐号管理的服务器。经纪人给被用于进一步请求的电子身份存取。*数据库的使用减少了管理的代价，并为认证提供一个公共和独立的 "第三方 " 。例如 Kerberos、Sesame、IBM KryptoKnight（凭证库思想)等。Kerberos是由麻省理工大学发明的安全认证服务，已经被UNIX和Windows作为默认的安全认证服务集成进操作系统。
3、Agent-based （基于代理人）
在这种解决方案中，有一个自动地为不同的应用程序认证用户身份的代理程序。这个代理程序需要设计有不同的功能。比如，它可以使用口令表或加密密钥来自动地将认证的负担从用户移开。代理人被放在服务器上面，在服务器的认证系统和客户端认证方法之间充当一个“翻译”。例如SSH等。
4、Token-based
例如SecureID,WebID，现在被广泛使用的口令认证，比如FTP、邮件服务器的登录认证，这是一种简单易用的方式，实现一个口令在多种应用当中使用。
5、基于网关
6、基于SAML
SAML(Security Assertion Markup Language ，安全断言标记语言）的出现大大简化了SSO ，并被OASIS 批准为SSO的执行标准。开源组织OpenSAML 实现了SAML 规范。
3、 CAS的基本原理
3.1、结构体系
从结构体系看，CAS包括两部分：CASServer和CAS Client。
3.1.1、CAS Server
CAS Server负责完成对用户的认证工作,需要独立部署,CAS Server 会处理用户名/ 密码等凭证(Credentials) 。
3.1.2、CAS Client
负责处理对客户端受保护资源的访问请求，需要对请求方进行身份认证时，重定向到CASServer进行认证。（原则上，客户端应用不再接受任何的用户名密码等Credentials）。
CAS Client与受保护的客户端应用部署在一起，以Filter方式保护受保护的资源。
3.2、CAS原理和协议
3.2.1、 基础模式
基础模式SSO访问流程主要有以下步骤：
1.访问服务：SSO客户端发送请求访问应用系统提供的服务资源。
2.定向认证：SSO客户端会重定向用户请求到SSO服务器。
3.用户认证：用户身份认证。
4.发放票据：SSO服务器会产生一个随机的 Service Ticket 。
5.验证票据：SSO服务器验证票据 Service Ticket 的合法性，验证通过后，允许客户端访问服务。
6.传输用户信息：SSO服务器验证票据通过后，传输用户认证结果信息给客户端。
下面是CAS最基本的协议过程：
基础协议图
如上图：CAS Client与受保护的客户端应用部署在一起，以Filter方式保护Web应用的受保护资源，过滤从客户端过来的每一个Web请求，同时，CAS Client会分析HTTP请求中是否包含请求Service Ticket(ST上图中的Ticket)，如果没有，则说明该用户是没有经过认证的；于是CAS Client会重定向用户请求到CAS Server（Step 2），并传递Service（要访问的目的资源地址）。Step3是用户认证过程，如果用户提供了正确的Credentials，CAS Server随机产生一个相当长度、唯一、不可伪造的Service Ticket，并缓存以待将来验证，并且重定向用户到Service所在地址（附带刚才产生的Service Ticket）,并为客户端浏览器设置一个Ticket Granted Cookie（TGC）；CAS Client在拿到Service和新产生的Ticket过后，在Step 5和Step6中与CAS Server进行身份核实，以确保Service Ticket的合法性。
在该协议中，所有与CAS Server的交互均采用SSL协议，以确保ST和TGC的安全性。协议工作过程中会有2次重定向的过程。但是CAS Client与CAS Server之间进行Ticket验证的过程对于用户是透明的（使用HttpsURLConnection）。
CAS请求认证时序图如下：
3.2.1、 CAS如何实现SSO
当用户访问另一个应用的服务再次被重定向到CAS Server的时候，CAS Server会主动获到这个TGC cookie，然后做下面的事情：
1.如果User持有TGC且其还没失效，那么就走基础协议图的Step4,达到了SSO的效果；
2.如果TGC失效，那么用户还是要重新认证(走基础协议图的Step3)。
3.2.2、 CAS代理模式
该模式形式为用户访问App1，App1又依赖于App2来获取一些信息，如：User-->App1-->App2。
这种情况下，假设App2也是需要对User进行身份验证才能访问，那么，为了不影响用户体验（过多的重定向导致User的IE窗口不停地闪动)，CAS引入了一种Proxy认证机制，即CAS Client可以代理用户去访问其它Web应用。
代理的前提是需要CAS Client拥有用户的身份信息(类似凭据)。之前我们提到的TGC是用户持有对自己身份信息的一种凭据，这里的PGT就是CAS Client端持有的对用户身份信息的一种凭据。凭借TGC，User可以免去输入密码以获取访问其它服务的Service Ticket，所以，这里凭借 PGT，Web应用可以代理用户去实现后端的认证，而无需前端用户的参与。
下面为代理应用（helloService）获取PGT的过程：（注：PGTURL用于表示一个Proxy服务，是一个回调链接；PGT相当于代理证；PGTIOU为取代理证的钥匙，用来与PGT做关联关系；）
如上面的CAS Proxy图所示，CASClient在基础协议之上，在验证ST时提供了一个额外的PGT URL(而且是SSL的入口)给CAS Server，使得CAS Server可以通过PGT URL提供一个PGT给CASClient。
CAS Client拿到了PGT(PGTIOU-85 … ..ti2td)，就可以通过PGT向后端Web应用进行认证。
下面是代理认证和提供服务的过程：
如上图所示，Proxy认证与普通的认证其实差别不大，Step1，2 与基础模式的 Step1,2 几乎一样，唯一不同的是，Proxy 模式用的是PGT而不是TGC，是Proxy Ticket（PT）而不是Service Ticket。
3.2.3、辅助说明
CAS 的 SSO 实现方式可简化理解为：1个Cookie和N个Session。CAS Server创建cookie，在所有应用认证时使用，各应用通过创建各自的Session 来标识用户是否已登录。
用户在一个应用验证通过后，以后用户在同一浏览器里访问此应用时，客户端应用中的过滤器会在session里读取到用户信息，所以就不会去CAS Server认证。如果在此浏览器里访问别的web应用时，客户端应用中的过滤器在 session里读取不到用户信息，就会去CAS Server的login接口认证，但这时CAS Server会读取到浏览器传来的cookie（TGC），所以CAS Server不会要求用户去登录页面登录，只是会根据service参数生成一个Ticket，然后再和 web应用做一个验证ticket的交互而已。
3.3、术语解释
CAS系统中设计了5中票据：TGC、ST、PGT、PGTIOU、PT。
1、Ticket-granting cookie(TGC) ：存放用户身份认证凭证的cookie，在浏览器和CAS Server间通讯时使用，并且只能基于安全通道传输（Https），是CAS Server用来明确用户身份的凭证；
2、Service ticket(ST) ：服务票据，服务的惟一标识码, 由CAS Server 发出（Http 传送），通过客户端浏览器到达业务服务器端；一个特定的服务只能有一个惟一的ST ；
3、Proxy-Granting ticket （PGT ）：由CAS Server颁发给拥有ST凭证的服务，PGT 绑定一个用户的特定服务，使其拥有向CAS Server申请，获得PT 的能力；
4、Proxy-Granting Ticket I Owe You（PGTIOU）:作用是将通过凭证校验时的应答信息由CAS Server返回给CAS Client，同时，与该PGTIOU 对应的PGT将通过回调链接传给Web应用。Web应用负责维护PGTIOU与PGT之间映射关系的内容表；
5、Proxy Ticket (PT)：是应用程序代理用户身份对目标程序进行访问的凭证；
其它说明如下：
1、Ticket Granting ticket(TGT) ：票据授权票据，由KDC的AS发放。即获取这样一张票据后，以后申请各种其他服务票据 (ST)便不必再向 KDC 提交身份认证信息 (Credentials) ；
2、Authentication service(AS)---------认证用服务，索取Credentials，发放TGT；
3、Ticket-granting service (TGS)---------票据授权服务，索取TGT，发放 ST ；
4、KDC( Key Distribution Center )----------密钥发放中心；
4、 CAS安全性
CAS的安全性仅仅依赖于SSL。使用的是secure cookie。
4.1、TGC/PGT安全性
对于一个CAS用户来说，最重要是要保护它的TGC，如果TGC不慎被CASServer以外的实体获得，Hacker能够找到该TGC，然后冒充CAS用户访问 所有授权资源。PGT的角色跟TGC是一样的。
从基础模式可以看出，TGC是CASServer通过SSL方式发送给终端用户，因此，要截取TGC难度非常大，从而确保CAS的安全性。
TGT的存活周期默认为120分钟。
4.2、ST/PT安全性
ST（Service Ticket）是通过Http传送的，因此网络中的其他人可以 Sniffer 到其他人的Ticket。CAS通过以下几方面来使ST变得更加安全（事实上都是可以配置的）：
1、ST只能使用一次
CAS 协议规定，无论 Service Ticket 验证是否成功， CAS Server 都会清除服务端缓存中的该Ticket ，从而可以确保一个 Service Ticket 不被使用两次。
2、ST 在一段时间内失效
CAS规定ST只能存活一定的时间，然后CAS Server会让它失效。默认有效时间为5分钟。
3、ST是基于随机数生成的
ST必须足够随机，如果ST生成规则被猜出，Hacker就等于绕过CAS认证，直接访问对应的服务。
5、 参考资料
1、http://www.coin163.com/java/cas/cas.html
2、https://wiki.jasig.org/display/CASUM/Introduction
3、http://www.jasig.org/cas/protocol/
4、http://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-cn-cas/index.html
5、http://www.blogjava.net/security/archive/2006/10/02/sso_in_action.html
6、http://baike.baidu.com/view/190743.htm