Kerberos V4 認證系統

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14-5 Kerberos V4 認證系統

內容：

14-5-1 Kerberos V4 認證程序

14-5-2 多重 Kerberos 領域

14-5-1 Kerberos V4 認證程序

Kerberos 將參與工作的成員稱呼為『主角』（Principal），每個成員都擁有自己的『主密鑰』（Master Secret）。但基本上，它還是屬於主從式（Client/Server）架構的應用系統，其成員主要由下列四種實體（使用者或設備）所扮演而成：

客戶端（Client）：在網路欲存取資源的使用者。
服務伺服器（Service Server）：在網路上提供資源服務者。對每一個使用者要求服務時，必須能夠確定是當事人而非他人冒充，傳遞資源時必須作相當的加密動作，避免他人偷竊。這個加密用的秘密鑰匙只有和使用者之間擁有（由 TGS 伺服器提供），而且用完一次便拋棄，下次連線時再建立新鑰匙。
認證伺服器（Authentication Server, AS）：相當於『鑰匙分配中心』（KDC）。管理每一個使用者的主密鑰（或稱共享密鑰）。欲加入的使用者都必須向 AS 伺服器申請帳戶並取得主密鑰。網路上任何一個使用者登入系統時，都會向認證中心取得通行證（Pass Book或 TGT 票），有了通行證便可以在網路上索取所要的資源。
門票核准伺服器（Ticket-Granting Server, TGS）：TGS 伺服器管理網路上所有服務伺服器，並紀錄所有服務伺服器的秘密鑰匙。當有新的伺服器加入或退出時，都必須向 TGS 伺服器申請。而且某一秘密鑰匙也只有 TGS 伺服器和該服務伺服器兩者所擁有，因此 TGS 伺服器必須管理網路上所有伺服器的秘密鑰匙。使用者如要存取服務伺服器上資源時，必須向 TGS 提出它的身份證明，即 TGT 門票。TGT 門票是經過 TGS 伺服器的秘密鑰匙加密，因此只有 TGS 伺服器能觀察門票的內容，別人無法仿冒。TGS 伺服器驗證完使用者的通行證後，再發給使用者有關使用者本身和所欲要求的服務伺服器的『服務門票』（Service Ticket, ST）。有了 ST 門票之後，使用者才可以到服務伺服器上存取資源，ST 門票同時包含了會議鑰匙。

就門票的類別可區分為下列兩大類：

門票核准票（Ticket-Granting Ticket, TGT）：此票是由 AS 伺服器發給客戶端的身分證明使用；使用者可以持此票向 TGS 伺服器申請通往某一伺服器的請求。
服務門票（Service Ticket, ST）：當使用者出示TGT 門票，向 TGS 伺服器要求前往某一伺服器；如果 TGS 伺服器同意其要求時，則發給所要求伺服器的 ST 門票給使用者，使用者持此票即可要求該伺服器提供服務。

瞭解 Kerberos 的元件之後，再來探討 Kerberos 認證協定可就容易多了。它的運作程序如圖 14-9 所示，我們將它分為登錄、取票、要求服務等三個步驟來討論，如下：

圖 14-9 Kerberos V4 協定之運作程序

【（A）登錄】

當使用者（假設 Alice）想要進入系統參與工作時，它必須進入 Kerberos 所管轄的範圍內，並由 Kerberos 認證身份。首先，Alice 傳送本身識別碼（或憑證、ID_A）與希望取得 TGS 伺服器門票的識別碼（ID_TGS）給 AS 伺服器，其中已加入預防重播攻擊的時間戳記（TS₁）（訊號 (1)）。AS 確認 Alice 的身份識別無誤後，便利用 Alice 主密鑰傳送通往 TGS 的 TGT 門票（Ticket_TGS）、以及 Alice 與 TGS 伺服器之間的會議鑰匙（K_{A, T}）給 Alice（訊號 (2)），訊號格式如下：

E_Ka [K_{A, T} || ID_TGS || TS₂ || Lifetime₁ || Ticket_TGS]

TGT 門票格式如下：

Ticket_TGS = E_Ktgs [K_{A, T} || ID_A || AD_A || ID_TGS || TS₂ || Lifetime₁]

其中 Lifetime₁表示該門票的有效期限，K_{A, T}是 AS 伺服器分配給 Alice 與 TGS 伺服器之間的會議鑰匙，AD_A為 Alice 工作站的網路位址（IP 位址），AS 伺服器是由 Alice 所傳送過來的 IP 封包中取得。

當訊號 (2) 到達 Alice 工作站時，工作站會要求 Alice 輸入密碼，並由輸入的密碼產生 Alice 的主密鑰（K_A），再利用主密鑰解開訊號 (2) 的加密，同時取得相關訊息。由此可見，TGT 門票是利用 Alice 的主密鑰加密著，他人不易觀察裡面的內容。

【（B）取票】

Alice 經由 AS 確認身份，並取得通往 TGS 的 TGT 門票之後，它便成為 Kerberos 系統下的成員之一。在該門票的有效期間內，它都可以向 TGS 伺服器要求其它伺服器的門票，其要求步驟如下：首先 Alice 傳送自己的簽署碼（Authentication，Authen_1_A）、身份識別（ID_B）與 TGT 門票（Ticket_TGS）給 TGS 伺服器，其中身份識別（ID_B）表示欲前往的服務伺服器（假設 Bob）（訊號 (3)），簽署碼表示 Alice 自己簽署的身分證明，格式如下：

Authen_1_A = E_{Ka, t} [ID_A || AD_A || TS₃]

由上可知簽署碼是使用 Alice 與 TGS 的會議鑰匙（K_{A, T}）加密，其中包含 Alice 的身份識別（ID_A、AD_A）與時間戳記（TS₃）。

TGS 伺服器檢視 Ticket_TGS門票中有效期限是否過期，如在有效期間內，則取出會議鑰匙（K_{A, T}），並解開 Alice 的認證碼（Authen_1_A），再核對認證碼與門票內有關 Alice 的身份識別是否正常。如果都正常的話，便發給 Alice 通往服務伺服器（Bob）的 ST 門票（訊號 (4)），ST 門票格式如下：

Ticket_B = E_Kb [K_{A, B} || ID_A || AD_A || ID_B || TS₄ || Lifetime₂]

由上可知ST 門票係利用 Bob 的主密鑰加密，他人無法窺視其內容，更何況要去竄改它。ST 門票中也包含著 TGS 發給 Alice 與 Bob 之間的會議鑰匙（K_{A, B}），並包含著 Alice 與 Bob 的身份識別、該門票的有效期限（Lifetime₂）與時間戳記（TS₄）。

【（C）要求服務】

Alice 由 TGS 伺服器上取得通往 Bob 的 ST 門票之後，在該門票的有效期間內都可以向 Bob 要求服務，要求服務的步驟如下：首先 Alice 向 Bob 出示門票（Ticket_B）與自己的認證碼（Authen_2_A）（訊號 (5)），認證碼的格式如下：

Authen_2_A = E_{Ka, b} [ID_A || AD_A || TS₅]

認證碼也是使用 Alice 與 Bob 的會議鑰匙（K_{A, B}）加密。Bob 收到訊號 (5) 之後，再利用自己的主密鑰解開門票的加密，並核對是否在有效期間內，如果該門票尚未逾期，則取出會議鑰匙（K_{A, B}），並利用該鑰匙解開認證碼的加密。接下來，Bob 比較 ST 門票內所註明的身份識別是否與認證碼相同，如果相同的話，則可確定發送該門票者確實是 Alice 沒錯。但 Bob 必須確認該會議鑰匙是否與 Alice 共享的，因此，Bob 可利用會議鑰匙回送時間戳記減一的值給 Alice（訊號 (6)），作為達到『相互認證』（Mutual Authentication）的功能。

由上述的介紹，可以發現每一筆訊號都加入了時間戳記，以防止重播攻擊。門票也註明了有效期限，如此更能減低使用者退出後，攻擊者仿冒的機會。當然攻擊者欲攔截門票來仿冒也有其困難，譬如，攻擊者攔截訊號 (3)（或訊號 (5)），取得門票之後，再偽裝成 Alice 傳送給 TGS 伺服器（或Bob），但它沒 Alice 的認證碼也是枉然。

14-5-2 多重Kerberos 領域

Kerberos 將每一系統所管轄的範圍稱之為『領域』（Realm）；每一領域內，至少包含一部 AS 伺服器、若干個 TGS 伺服器、以及所管轄的使用者與服務伺服器。基本上，使用者都必須向 AS 伺服器登錄帳戶，才正式成為該領域下的使用者，又稱為『領域使用者』；另一方面，服務伺服器必須向 AS 與 TGS 登錄，領域使用者才可以存取道該伺服器的資源，所有領域之內的成員又通稱為『主角』（Principle）。因此，針對任何一個使用者或伺服器（或工作站）都標示為『Realm/Principle』，譬如，『CIS/User_1』，則表示該成員是 CIS 領域下的 User_1 帳戶。

就領域的概念而言，各個成員可構成一個獨立的環境，由 AS 與 TGS 伺服器（兩者的組合又稱為 Kerberos 伺服器）來管轄領域內所有資源的分配；一般情況，我們都會將組織單位內工作性相同的人員與設備規劃成一個領域，也大多以組織內的子單位來劃分，如此一來，管理者就可清楚分配資源的使用權限。但如果組織內存在著多個領域，則領域之間如何來達成資源共享的問題，則有賴『多重 Kerberos』（Kerberi）機制來達成，如圖 14-10 所示。增加了 Kerberi 的關係，我們可將 Kerberos 的特性歸類如下：

某一領域下使用者都必須向他所屬的 Kerberos 伺服器註冊，並與該伺服器共享一把鑰匙，而此共享鑰匙又稱為該使用者的『主密鑰』（Master Secret）。
某一領域下的應用伺服器必須向他所屬的 Kerberos 伺服器註冊，並與 Kerberos 伺服之間共享一把秘密鑰匙，即應用伺服器的主密鑰。
兩個領域之間，Kerberos 伺服器可依照信任關係互相註冊；被信任的 Kerberos 伺服器，與信任一方的 TGS 伺服器（亦是 Kerberos）之間共享一把鑰匙。譬如，Realm_A 領域信任 Realm_B，則表示 Realm_B 的使用者可以存取 Realm_A 領域的資源；因此，Realm_B 的 Kerberos 伺服器與 Realm_A 的 TGS 伺服器之間共享一把鑰匙。

圖 14-10 多重 Kerberos 領域的關係

利用信任關係，使 Kerberos 伺服器與對方 TGS 伺服器之間共享秘密鑰匙，如此一來，領域之間的存取問題就簡單多了。然而，應用伺服器與 Kerberos 之間的共享鑰匙是由 TGS 伺服器負責，因此，與原來領域內存取的不同點，僅在於 TGS 伺服器的分配門票上。我們用圖 14-11 說明領域之間存取的運作程序，並假設領域雙方都互相信任，其運作程序與圖 14-9 大致上相同，僅就跨領域之間的程序說明如下：

訊號 (3)：客戶端向所屬領域（領域_A）索取通往領域_B（ID_{TGS_R_B}）的門票。
訊號 (4)：所屬 TGS 伺服器發給客戶通往領域_B 的門票（Ticket_{TGS_R_B}）及共享鑰匙（K_{A, TGS_R_B}）。值得注意的是，該門票係利用對方 TGS 伺服器的主密鑰（與領域_A 的共享鑰匙）加密著，圖中並未顯示出來。
訊號 (5)：客戶向領域_B 的 TGS 伺服器要求服務，傳送門票與所欲存取應用伺服器的識別資料（ID_{B_S}）。
訊號 (6)：領域_B 的 TGS 伺服器傳送通往應用伺服器的門票（Ticket_{B_S}）給客戶端。
訊號 (7)：客戶出示門票（Ticket_{B_S}）向應用伺服器要求服務。

圖 14-11 跨越領域的運作程序

翻轉工作室：粘添壽

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