单点登录原理与简单实现

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作者：凌承一
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单系统登录机制

web应用采用browser/server架构，http作为通信协议。http是无状态协议，浏览器的每一次请求，服务器会独立处理，不与之前或之后的请求产生关联，这个过程用下图说明，三次请求/响应对之间没有任何联系。

但这也同时意味着，任何用户都能通过浏览器访问服务器资源，如果想保护服务器的某些资源，必须限制浏览器请求；要限制浏览器请求，必须鉴别浏览器请求，响应合法请求，忽略非法请求；要鉴别浏览器请求，必须清楚浏览器请求状态。既然http协议无状态，那就让服务器和浏览器共同维护一个状态吧！这就是会话机制。

会话机制

浏览器第一次请求服务器，服务器创建一个会话，并将会话的id作为响应的一部分发送给浏览器，浏览器存储会话id，并在后续第二次和第三次请求中带上会话id，服务器取得请求中的会话id就知道是不是同一个用户了，这个过程用下图说明，后续请求与第一次请求产生了关联。

服务器在内存中保存会话对象，浏览器怎么保存会话id呢？

你可能会想到两种方式

请求参数
cookie

将会话id作为每一个请求的参数，服务器接收请求自然能解析参数获得会话id，并借此判断是否来自同一会话，很明显，这种方式不靠谱。那就浏览器自己来维护这个会话id吧，每次发送http请求时浏览器自动发送会话id，cookie机制正好用来做这件事。cookie是浏览器用来存储少量数据的一种机制，数据以"key/value"形式存储，浏览器发送http请求时自动附带cookie信息。

tomcat会话机制当然也实现了cookie，访问tomcat服务器时，浏览器中可以看到一个名为JSESSIONID的cookie，这就是tomcat会话机制维护的会话id，使用了cookie的请求响应过程如下图：

登录状态

有了会话机制，登录状态就好明白了，我们假设浏览器第一次请求服务器需要输入用户名与密码验证身份，服务器拿到用户名密码去数据库比对，正确的话说明当前持有这个会话的用户是合法用户，应该将这个会话标记为“已授权”或者“已登录”等等之类的状态，既然是会话的状态，自然要保存在会话对象中，tomcat在会话对象中设置登录状态如下：

HttpSession session = request.getSession();
session.setAttribute("isLogin", true);

用户再次访问时，tomcat在会话对象中查看登录状态：

HttpSession session = request.getSession();
session.getAttribute("isLogin");

实现了登录状态的浏览器请求服务器模型如下图描述：

每次请求受保护资源时都会检查会话对象中的登录状态，只有 isLogin=true 的会话才能访问，登录机制因此而实现。

多系统的复杂性

web系统早已从久远的单系统发展成为如今由多系统组成的应用群，面对如此众多的系统，用户难道要一个一个登录、然后一个一个注销吗？就像下图描述的这样

web系统由单系统发展成多系统组成的应用群，复杂性应该由系统内部承担，而不是用户。无论web系统内部多么复杂，对用户而言，都是一个统一的整体，也就是说，用户访问web系统的整个应用群与访问单个系统一样，登录/注销只要一次就够了。

虽然单系统的登录解决方案很完美，但对于多系统应用群已经不再适用了，为什么呢？

单系统登录解决方案的核心是cookie，cookie携带会话id在浏览器与服务器之间维护会话状态。但cookie是有限制的，这个限制就是cookie的域（通常对应网站的域名），浏览器发送http请求时会自动携带与该域匹配的cookie，而不是所有cookie。

子域名cookie共享完成单点登录

既然这样，为什么不将web应用群中所有子系统的域名统一在一个顶级域名下，例如“*.baidu.com”，然后将它们的cookie域设置为“baidu.com”，这种做法理论上是可以的，甚至早期很多多系统登录就采用这种同域名共享cookie的方式。

然而，可行并不代表好，共享cookie的方式存在众多局限。

首先，应用群域名得统一。
其次，应用群各系统使用的技术（至少是web服务器）要相同，不然cookie的key值（tomcat为JSESSIONID）不同，无法维持会话，共享cookie的方式是无法实现跨语言技术平台登录的，比如java、php、.net系统之间。
第三，cookie本身不安全。

除上面之外，如果我们在session存放的是User对象，那么我们使用全局cookie共享JSESSIONID值，每一个子域名就可以访问同一个session，登录成功后保存一个user对象，注销后就移除这个user对象。session中的user对象必须先序列化保存到redis中，并且每次访问的时候，都需要去redis中取出session，并且重新序列化成user对象。这样会造成额外的消耗。

因此，我们需要一种全新的登录方式来实现多系统应用群的登录，这就是单点登录。

单点登录

什么是单点登录？

单点登录全称Single Sign On（以下简称SSO），是指在多系统应用群中登录一个系统，便可在其他所有系统中得到授权而无需再次登录，包括单点登录与单点注销两部分。

相比于单系统登录，sso需要一个独立的认证中心，只有认证中心能接受用户的用户名密码等安全信息，其他系统不提供登录入口，只接受认证中心的间接授权。间接授权通过令牌实现，sso认证中心验证用户的用户名密码没问题，创建授权令牌，在接下来的跳转过程中，授权令牌作为参数发送给各个子系统，子系统拿到令牌，即得到了授权，可以借此创建局部会话，局部会话登录方式与单系统的登录方式相同。

这个过程，也就是单点登录的原理，用下图说明：

下面对上图简要描述：

用户访问系统1的受保护资源，系统1发现用户未登录，跳转至sso认证中心，并将自己的地址作为参数。
sso认证中心发现用户未登录，将用户引导至登录页面。
用户输入用户名密码提交登录申请。
sso认证中心校验用户信息，创建用户与sso认证中心之间的会话，称为全局会话，同时创建授权令牌。
sso认证中心带着令牌跳转会最初的请求地址（系统1）。
系统1拿到令牌，去sso认证中心校验令牌是否有效。
sso认证中心校验令牌，返回有效，注册系统1。
系统1使用该令牌创建与用户的会话，称为局部会话，返回受保护资源。
用户访问系统2的受保护资源。
系统2发现用户未登录，跳转至sso认证中心，并将自己的地址作为参数。
sso认证中心发现用户已登录，跳转回系统2的地址，并附上令牌。
系统2拿到令牌，去sso认证中心校验令牌是否有效。
sso认证中心校验令牌，返回有效，注册系统2。
系统2使用该令牌创建与用户的局部会话，返回受保护资源。

用户登录成功之后，会与sso认证中心及各个子系统建立会话，用户与sso认证中心建立的会话称为全局会话，用户与各个子系统建立的会话称为局部会话，局部会话建立之后，用户访问子系统受保护资源将不再通过sso认证中心，全局会话与局部会话有如下约束关系：

局部会话存在，全局会话一定存在。
全局会话存在，局部会话不一定存在。
全局会话销毁，局部会话必须销毁。

你可以通过博客园、百度、csdn、淘宝等网站的登录过程加深对单点登录的理解，注意观察登录过程中的跳转url与参数

注销

单点登录自然也要单点注销，在一个子系统中注销，所有子系统的会话都将被销毁，用下面的图来说明：

sso认证中心一直监听全局会话的状态，一旦全局会话销毁，监听器将通知所有注册系统执行注销操作

下面对上图简要说明：

用户向系统1发起注销请求。
系统1根据用户与系统1建立的会话id拿到令牌，向sso认证中心发起注销请求。
sso认证中心校验令牌有效，销毁全局会话，同时取出所有用此令牌注册的系统地址。
sso认证中心向所有注册系统发起注销请求。
各注册系统接收sso认证中心的注销请求，销毁局部会话。
sso认证中心引导用户至登录页面。

部署图

单点登录涉及sso认证中心与众子系统，子系统与sso认证中心需要通信以交换令牌、校验令牌及发起注销请求，因而子系统必须集成sso的客户端，sso认证中心则是sso服务端，整个单点登录过程实质是sso客户端与服务端通信的过程，用下图描述：

sso认证中心与sso客户端通信方式有多种，这里以简单好用的httpClient为例，web service、rpc、restful api都可以。

实现

只是简要介绍下基于java的实现过程，不提供完整源码，明白了原理，我相信你们可以自己实现。sso采用客户端/服务端架构，我们先看sso-client与sso-server要实现的功能（下面：sso认证中心=sso-server）。

sso-client

拦截子系统未登录用户请求，跳转至sso认证中心。
接收并存储sso认证中心发送的令牌。
与sso-server通信，校验令牌的有效性。
建立局部会话。
拦截用户注销请求，向sso认证中心发送注销请求。
接收sso认证中心发出的注销请求，销毁局部会话。

sso-server

验证用户的登录信息。
创建全局会话。
创建授权令牌。
与sso-client通信发送令牌。
校验sso-client令牌有效性。
系统注册。
接收sso-client注销请求，注销所有会话。

接下来，我们按照原理来一步步实现sso吧！

sso-client拦截未登录请求

java拦截请求的方式有servlet、filter、listener三种方式，我们采用filter。在sso-client中新建LoginFilter.java类并实现Filter接口，在doFilter()方法中加入对未登录用户的拦截：

public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain) throws IOException, ServletException {
    HttpServletRequest req = (HttpServletRequest) request;
    HttpServletResponse res = (HttpServletResponse) response;
    HttpSession session = req.getSession();

    if (session.getAttribute("isLogin")) {
        chain.doFilter(request, response);
        return;
    }
    //跳转至sso认证中心
    res.sendRedirect("sso-server-url-with-system-url");
}

sso-server拦截未登录请求

拦截从sso-client跳转至sso认证中心的未登录请求，跳转至登录页面，这个过程与sso-client完全一样。

sso-server验证用户登录信息

用户在登录页面输入用户名密码，请求登录，sso认证中心校验用户信息，校验成功，将会话状态标记为“已登录”。

@RequestMapping("/login")
public String login(String username, String password, HttpServletRequest req) {
    this.checkLoginInfo(username, password);
    req.getSession().setAttribute("isLogin", true);
    return "success";
}

sso-server创建授权令牌

授权令牌是一串随机字符，以什么样的方式生成都没有关系，只要不重复、不易伪造即可，下面是一个例子：

String token = UUID.randomUUID().toString();

sso-client取得令牌并校验

sso认证中心登录后，跳转回子系统并附上令牌，子系统（sso-client）取得令牌，然后去sso认证中心校验，在LoginFilter.java的doFilter()中添加几行：

// 请求附带token参数
String token = req.getParameter("token");
if (token != null) {
    // 去sso认证中心校验token
    boolean verifyResult = this.verify("sso-server-verify-url", token);
    if (!verifyResult) {
        res.sendRedirect("sso-server-url");
        return;
    }
    chain.doFilter(request, response);
}

verify()方法使用httpClient实现，这里仅简略介绍，httpClient详细使用方法请参考官方文档。

HttpPost httpPost = new HttpPost("sso-server-verify-url-with-token");
HttpResponse httpResponse = httpClient.execute(httpPost);

sso-server接收并处理校验令牌请求

用户在sso认证中心登录成功后，sso-server创建授权令牌并存储该令牌，所以，sso-server对令牌的校验就是去查找这个令牌是否存在以及是否过期，令牌校验成功后sso-server将发送校验请求的系统注册到sso认证中心（就是存储起来的意思）
令牌与注册系统地址通常存储在key-value数据库（如redis）中，redis可以为key设置有效时间也就是令牌的有效期。redis运行在内存中，速度非常快，正好sso-server不需要持久化任何数据。
令牌与注册系统地址可以用下图描述的结构存储在redis中，可能你会问，为什么要存储这些系统的地址？如果不存储，注销的时候就麻烦了，用户向sso认证中心提交注销请求，sso认证中心注销全局会话，但不知道哪些系统用此全局会话建立了自己的局部会话，也不知道要向哪些子系统发送注销请求注销局部会话。

sso-client校验令牌成功创建局部会话

令牌校验成功后，sso-client将当前局部会话标记为“已登录”，修改LoginFilter.java，添加几行：

if (verifyResult) {
    session.setAttribute("isLogin", true);
}

sso-client还需将当前会话id与令牌绑定，表示这个会话的登录状态与令牌相关，此关系可以用java的hashmap保存，保存的数据用来处理sso认证中心发来的注销请求

注销过程

用户向子系统发送带有“logout”参数的请求（注销请求），sso-client拦截器拦截该请求，向sso认证中心发起注销请求：

String logout = req.getParameter("logout");
if (logout != null) {
    this.ssoServer.logout(token);
}

sso认证中心也用同样的方式识别出sso-client的请求是注销请求（带有“logout”参数），sso认证中心注销全局会话：

@RequestMapping("/logout")
public String logout(HttpServletRequest req) {
    HttpSession session = req.getSession();
    if (session != null) {
        session.invalidate();//触发LogoutListener
    }
    return "redirect:/";
}

sso认证中心有一个全局会话的监听器，一旦全局会话注销，将通知所有注册系统注销

public class LogoutListener implements HttpSessionListener {
    @Override
    public void sessionCreated(HttpSessionEvent event) {}
    @Override
    public void sessionDestroyed(HttpSessionEvent event) {
        //通过httpClient向所有注册系统发送注销请求
    }
}