SpringSecurity原理剖析与权限系统设计

Spring Secutity和Apache Shiro是Java领域的两大主流开源安全框架，也是权限系统设计的主要技术选型。本文主要介绍Spring Secutity的实现原理，并基于Spring Secutity设计基于RBAC的权限系统。

一、技术选型

为何把Spring Secutity作为权限系统的技术选型，主要考虑了以下几个方面：

1. 数据鉴权的能力：Spring Secutity支持数据鉴权，即细粒度权限控制。
2. Spring生态基础：Spring Secutity可以和Spring生态无缝集成。
3. 多样认证能力：Spring Secutity支持多样认证方式，如预认证方式可以与第三方认证系统集成。

二、核心架构

权限系统一般包含两大核心模块：认证（Authentication）和鉴权（Authorization）。

• 认证：认证模块负责验证用户身份的合法性，生成认证令牌，并保存到服务端会话中（如TLS）。
• 鉴权：鉴权模块负责从服务端会话内获取用户身份信息，与访问的资源进行权限比对。

官方给出的Spring Security的核心架构图如下：

核心架构解读：

• AuthenticationManager：负责认证管理，解析用户登录信息（封装在Authentication），读取用户、角色、权限信息进行认证，认证结果被回填到Authentication，保存在SecurityContext。
• AccessDecisionManager：负责鉴权投票表决，汇总投票器的结果，实现一票通过（默认）、多票通过、一票否决策略。
• SecurityInterceptor：负责权限拦截，包括Web URL拦截和方法调用拦截。通过ConfigAttributes获取资源的描述信息，借助于AccessDecisionManager进行鉴权拦截。
• SecurityContext：安全上下文，保存认证结果。提供了全局上下文、线程继承上下文、线程独立上下文（默认）三种策略。
• Authentication：认证信息，保存用户的身份标示、权限列表、证书、认证通过标记等信息。
• SecuredResource：被安全管控的资源，如Web URL、用户、角色、自定义领域对象等。
• ConfigAttributes：资源属性配置，描述安全管控资源的信息，为SecurityInterceptor提供拦截逻辑的输入。

三、设计原理

通过对源码的分析，我把Spring Security的核心领域模型设计整理如下：

全局抽象模型解读：

• 配置：AuthenticationConfiguration负责认证系统的全局配置，GlobalMethodSecurityConfiguration负责方法调用拦截的全局配置。
• 构建：AuthenticationConfiguration通过AuthenticationManagerBuilder构建认证管理器AuthenticationManager，GlobalMethodSecurityConfiguration会自动初始化AbstractSecurityInterceptor进行方法调用拦截。
• Web拦截：HttpSecurity对Web进行安全配置，内置了大量GenericFilterBean过滤器对URL进行拦截。负责认证的过滤器会通过AuthenticationManager进行认证，并将认证结果保存到SecurityContext。
• 方法拦截：Spring通过AOP技术（cglib/aspectj）对标记为@PreAuthorize、@PreFilter、@PostAuthorize、@PostFilter等注解的方法进行拦截，通过AbstractSecurityInterceptor调用AuthenticationManager进行身份认证（如果必要的话）。
• 认证：认证管理器AuthenticationManager内置了多种认证器AuthenticationProvider，只要其中一个认证通过，认证便成功。不同的AuthenticationProvider获取各自需要的信息（HTTP请求、数据库查询、远程服务等）进行认证，认证结果全部封装在Authentication。需要加载用户、角色、权限信息的认证器（如密码认证、预认证等）需要对接UserDetailsManager接口实现用户CRUD功能。
• 鉴权：权限拦截器AbstractSecurityInterceptor通过读取不同的SecurityMetadataSource加载需要被鉴权资源的描述信息ConfigAttribute，然后把认证信息Authentication、资源描述ConfigAttribute、资源对象本身传递给AccessDecisionManager进行表决。AccessDecisionManager内置了多个投票器AccessDecisionVoter，投票器会将鉴权信息中的ConfigAttribute转换为SpringEL的格式，通过表达式处理器SecurityExpressionHandler执行基于表达式的鉴权逻辑，鉴权逻辑会通过反射的方式转发到SecurityExpressionRoot的各个操作上去。
• 定制：通过WebSecurityConfigureAdapter可以定制HTTP安全配置HttpSecurity和认证管理器生成器AuthenticationManagerBuilder；通过AbstractPreAuthenticatedProcessingFilter可以定制预认证过滤器；通过UserDetailsManager和UserDetails接口可以对接自定义数据源；通过GrantedAuthority定制权限信息；通过PermissionEvaluator可以定制自定义领域模型的访问控制逻辑。

四、应用集成

理清Spring Security的定制点后，就可以在系统内部集成Spring Security了。

这里使用预认证的方式，以适配第三方认证系统。AbstractPreAuthenticatedProcessingFilter提供了预认证的扩展点，基于该抽象类实现一个自定义认证过滤器。

public class MyPreAuthFilter extends AbstractPreAuthenticatedProcessingFilter {
    @Override
    protected Object getPreAuthenticatedPrincipal(HttpServletRequest request) {
        // 从第三方系统获取用户ID
        return userId;
    }

    @Override
    protected Object getPreAuthenticatedCredentials(HttpServletRequest request) {
        return "";
    }
}

Spring Security会根据预认证过滤器getPreAuthenticatedPrincipal返回的用户ID信息，加载用户角色等初始信息。这里需要实现UserDetailsManager接口，提供用户信息管理器。

@Service
public class MyUserManager implements UserDetailsManager {
    @Override
    public UserDetails loadUserByUsername(String username) throws UsernameNotFoundException {
        // 从数据库加载用户信息
        return user;
    }
    
    // 其他管理接口
}

UserDetails内包含了GrantedAuthority接口类型的权限信息抽象，一般可以基于它自定义角色和权限。Spring Security使用一种接口形式表达角色和权限，角色和权限的差别是角色的ID是以”ROLE_”为前缀。

public class MyRole implements GrantedAuthority {
    private final String role;

    @Override
    public String getAuthority() {
        return "ROLE_" + role;
    }
}

public class MyAuthority implements GrantedAuthority {
    private final String authority;

    @Override
    public String getAuthority() {
        return authority;
    }
}

接下来注册自定义认证过滤器和用户管理器，这里需要实现WebSecurityConfigurerAdapter进行Web安全配置。

@EnableWebSecurity
@EnableGlobalMethodSecurity(prePostEnabled = true, mode = AdviceMode.PROXY)
public class MySecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {

    @Autowired
    UserDetailsManager userDetailsManager;

    @Bean
    protected AuthenticationProvider createPreAuthProvider() {
        // 注册用户管理器
        PreAuthenticatedAuthenticationProvider provider = new PreAuthenticatedAuthenticationProvider();
        provider.setPreAuthenticatedUserDetailsService(new UserDetailsByNameServiceWrapper<>(userDetailsManager));
        return provider;
    }

    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        // 注册预认证过滤器
        http.addFilter(new MyPreAuthFilter(authenticationManager()));
    }
}

这样，最简单的Spring Security框架集成内系统内部已经完成了。在系统的任意服务接口上可以使用如下方式进行鉴权。

public interface MyService {
    @PreAuthorize("hasAuthority('QUERY')")
    Object getById(String id);
    
    @PreAuthorize("hasRole('ADMIN')")
    void deleteById(String id);
}

PreAuthorize注解表示调用前鉴权，Spring使用默认使用动态代理技术生成鉴权逻辑。注解内配置了SpringEL表达式来定制鉴权方式。上述代码中，hasAuthority会检查用户是否有QUERY权限，hasRole会检查用户是否有ADMIN角色。

使用动态代理的方式进行AOP，只允许在接口层面进行权限拦截，如果想在任意的方法上进行权限拦截，那么就需要借助于AspectJ的方式进行AOP。首先将注解EnableGlobalMethodSecurity的mode设置为AdviceMode.ASPECTJ，然后添加JVM启动参数，这样就可以在任意方法上使用Spring Security的注解了。

-javaagent:/path/to/org/aspectj/aspectjweaver/1.9.4/aspectjweaver-1.9.4.jar

以上还是只是以用户的身份信息（角色/权限）进行权限，灵活度有限，也发挥不了Spring Security的数据鉴权的能力。要使用数据鉴权，需要实现一个Spring Bean。

@Component
public class MyPermissionEvaluator implements PermissionEvaluator {
    @Override
    public boolean hasPermission(Authentication authentication, Object targetDomainObject, Object permission) {
        // 自定义数据鉴权
        return false;
    }

    @Override
    public boolean hasPermission(Authentication authentication, Serializable targetId, String targetType, Object permission) {
        // 自定义数据鉴权
        return false;
    }
}

PermissionEvaluator会被自动注册到Spring Security框架，并允许在注解内使用如下方式进行鉴权。

@PreAuthorize("hasPermission(#id, 'QUERY')")
Object func1(String id) {
}

@PreAuthorize("hasPermission(#id, 'TABLE', 'QUERY')")
Object func2(String id) {
}

其中，func1的注解表示校验用户是否对id有QUERY权限，代码逻辑路由到MyPermissionEvaluator的第一个接口。func2的注解表示校验用户是否对TABLE类型的id有QUERY权限，代码逻辑路由到MyPermissionEvaluator的第二个接口。PermissionEvaluator提供了权限系统中数据鉴权的扩展点，稍后会描述如何利用该扩展点定制基于RBAC的权限系统。

五、权限系统

构建基于RBAC（Role Based Access Control）的权限系统，需要明确用户、角色、权限、资源这几个核心的概念类的含义和它们之间的关系。

• 资源：权限系统内需要安全控制的客体，一般是系统内的数据或功能。
• 权限：描述了资源上的操作抽象，一般是一种动作。
• 授权：是权限和资源的组合，表示对资源的某一个操作。
• 角色：描述了一组授权的集合，表示一类特殊概念的功能集。
• 用户：权限系统的主体，一般是当前系统的访问用户，用户可以拥有多种角色。

以下是我们设计的基于RABC的权限核心领域模型：

一般情况下，系统内需要权限管控的资源是无法用户自定义的，因为资源会耦合大量的业务逻辑，所以我们提供了自 资源工厂，通过配置化的方式构建业务模块所需的资源。而用户、角色、权限，以及授权记录都是可以通过相应的管理器进行查询更新。

另外，资源抽象允许表达资源的继承和组合关系，继而表达更复杂的资源模型，资源统一鉴权的流程为：

• 执行鉴权时，首先看资源是原子资源还是组合资源。
• 对于原子资源，先查询是否有授权记录，再查看角色预授权是否包含当前授权，存在一种便成功。
• 没有授权记录和角色预授权的原子资源，尝试用父资源（如果有的话）代替鉴权，否则鉴权失败。
• 对于组合资源，先进行资源展开，获取子资源列表。
• 遍历子资源列表，并依次对子资源进行鉴权，子资源鉴权结果汇总后，即组合资源鉴权结果。

综上，基于统一资源抽象和资源配置化构建，可以实现资源的统一构建，继而实现统一鉴权。

六、总结回顾

本文从Spring Security的架构和原理出发，描述了开源安全框架对于认证和鉴权模块的设计思路和细节。并提供了系统内集成Spring Security的方法，结合RBAC通用权限系统模型，讨论了统一资源构建和统一鉴权的设计和实现。如果你也需要设计一个新的权限系统，希望本文对你有所帮助。