第五章编码/加密——《跟我学Shiro》

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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。

5.1 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。

5.2 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、可以通过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();

5.3 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。

5.4 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

2.1、passwordService使用DefaultPasswordService，如果有必要也可以自定义；

2.2、hashService定义散列密码使用的HashService，默认使用DefaultHashService（默认SHA-256算法）；

2.3、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；

2.4、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；

2.5、passwordMatcher使用PasswordMatcher，其是一个CredentialsMatcher实现；

2.6、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

1、saltStyle表示使用密码+盐的机制，authenticationQuery第一列是密码，第二列是盐；

2、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

1、通过credentialsMatcher.hashAlgorithmName=md5指定散列算法为md5，需要和生成密码时的一样；

2、credentialsMatcher.hashIterations=2，散列迭代次数，需要和生成密码时的意义；

3、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。

示例源代码：https://github.com/zhangkaitao/shiro-example；可加群134755960探讨Spring/Shiro技术。