Linux可插拔認證模塊的基本概念與架構
Linux 用戶認證方法簡介
當今 IT 環境中，任何計算機系統都要充分考慮設計、使用和運行過程中的安全性。所以在目前主流操作系統的各個環節當中都增加了很多安全方面的功能和特性，而在眾多的安全特性和功能中有相當多的技術是確保用戶鑒別和身份認證方面的安全性的。
所謂用戶鑒別，就是用戶向系統以一種安全的方式提交自己的身份證明，然后由系統確認用戶的身份是否屬實的過程。換句話說，用戶鑒別是系統的門 戶，每個用戶進入到系統之前都必須經過鑒別這一道關。 而所謂認證安全，簡而言之就是計算機系統確認了用戶是經過授權的合法用戶之后才能允許訪問。安全認證最常用的方式是比對用戶輸入和預存于數據庫中的密碼。
不過在用戶進行身份鑒別和安全認證的過程中，肯定會涉及幾個核心問題。例如：
- 如何真正實現正確鑒別用戶的真實身份？
- 在鑒別用戶合法身份之后，如何確定用戶可以對哪些資源進行訪問？
- 如何控制用戶以何種方式來訪問計算機資源？
- 如何對用戶的安全訪問隨時隨地按需調整？
上述這些問題都是在設計鑒別和認證程序過程中需要充分考慮和精心設計的。而在 Linux 類的操作系統中，這些問題的處理實際上有一套完整的流程和機制。
在 Linux 類的操作系統中，最初用戶鑒別過程就像各種 Unix 操作系統一樣：系統管理員為用戶建立一個帳號并為其指定一個口令，用戶用此指定的口令登錄之后重新設置自己的口令，這樣用戶就具有了一個只有它自己知道的 口令或者密碼。一般情況下，用戶的身份信息在 Linux 系統中存放在/etc/passwd 文件當中，這實際上是一個擁有簡單格式的數據庫表，通過"："作為分隔符分隔出多個字段，其中包括用戶的名稱、用戶 ID、組 ID、用戶說明、主目錄和登錄使用的 shell 等相關信息。而用戶口令經過加密處理后存放于/etc/shadow 文件中。也是一個格式類似的數據庫表，除了用戶名和經過加密之后的密碼之外，還包括多個對密碼有效期進行定義的字段，包括密碼有效時間、密碼報警時間等。
用戶登錄的時候，登錄服務程序提示用戶輸入其用戶名和口令，然后將口令加密并與/etc/shadow 文件中對應帳號的加密口令進行比較，如果口令相匹配，說明用戶的身份屬實并允許此用戶訪問系統。這種思想基于只有用戶自己知道它的口令，所以輸入的口令是 正確的話，那么系統就認定它是所聲稱的那個人。
在 Linux 類操作系統中，定義用戶信息和密碼信息的字段和格式都需要符合標準的 Linux Naming Service Switch 定義，即 NSS 定義。因此用戶信息只要保證滿足 NSS 規范，就可以來源于本地 passwd 和 shadow 之外的其它信息數據庫和認證源。所以在此基礎上還派生出一些其它認證解決方案。例如 NIS、LDAP 等，都可作為存放用戶信息的數據庫，而存放用戶口令或者鑒別用戶身份的數據庫，可以采用專用于網絡環境的 Kerberos 以及智能卡鑒別系統等方式。
這一整套的鑒別和認證方案貌似無懈可擊，但是將這種解決方案真正應用到操作系統中的話就會發現一些問題：
第一，在操作系統上所包含的認證不僅僅只涉及到系統登錄和訪問，在系統外圍往往提供了眾多的應用程序，相當多的應用程序在訪問過程中是有認證需 求的。那么是否需要針對每一個應用程序都得加入認證和鑒別的功能？如果要，那么無論從程序的開發和使用管理角度來講，工作量都將成倍增加；如果不要，則系 統級的用戶鑒別和安全認證與應用程序沒有任何關系，意味著不管用戶是否需要登錄系統，但是對應用程序的訪問都將缺乏最基本的安全性。
第二，如果針對每一個應用程序都開發用戶鑒別和認證的功能，那么一旦發現所用的算法存在某些缺陷或想采用另一種鑒別和認證方法時，開發者或者用戶都將不得不重寫（修改或替換）應用程序，然后重新編譯原程序。
所以，尤其是當實現鑒別功能的代碼以通常方法作為應用程序一部分一起編譯的時候，上述問題將十分突出。很明顯，傳統的身份鑒別和用戶認證方式一旦整合到實際的操作系統中，在實用當中缺乏靈活性。
鑒于以上原因，Linux 操作系統的開發者和設計人員開始尋找一種更佳的替代方案：一方面，將鑒別功能從應用中獨立出來，單獨進行模塊化的設計，實現和維護；另一方面，為這些鑒別 模塊建立標準的應用程序接口即 API，以便眾多的應用程序能方便地使用它們提供的各種功能；同時，鑒別機制對上層用戶（包括應用程序和最終用戶）要求一定要是透明的，這樣可以對使用者 隱藏其中比較復雜的實現細節。
可插拔認證模塊 PAM 的基本概念
事實上直到 1995 年的時候，SUN 的研究人員才提出了一種滿足以上需求的方案，這就是可插拔認證模塊（Pluggable Authentication Module--PAM）機制，并首次在其操作系統 Solaris 2.3 上部分實現。
可插拔認證模塊（PAM）機制采用模塊化設計和插件功能，使用戶可以輕易地在應用程序中插入新的認證模塊或替換原先的組件，同時不必對應用程序 做任何修改，從而使軟件的定制、維持和升級更加輕松。因為認證和鑒別機制與應用程序之間相對獨立。所以應用程序可以通 PAM API 來方便地使用 PAM 提供的各種鑒別功能而不必了解太多的底層細節。此外 PAM 的易用性也較強，主要表現在它對上層屏蔽了鑒別和認證的具體細節，所以用戶不必被迫學習各種各樣的鑒別方式，也不必記住多個口令；又由于它實現了多鑒別認 證機制的集成問題，所以單個程序可以輕易集成多種鑒別機制，如 Kerberos 和 Diffie - Hellman 等認證機制，但用戶仍可以用同一個口令登錄而且感覺不到采取了各種不同的鑒別方法。
在廣大開發人員的努力下，各版本的 UNIX 系統陸續增加和提供了對 PAM 應用的支持。其中 Linux-PAM 是專門為 Linux 操作系統實現的，眾多的 Linux 操作系統包括 Caldera、Debian、Turbo、Red Hat、SuSE 及它們的后續版本都提供對 PAM 的支持。而 FreeBSD 從3.1版本也開始支持 PAM。而且除了具體實現方法上多少有些不同外，各種版本 Unix 系統上 PAM 的框架是相同的。所以我們在這里介紹的 Linux 的 PAM 框架知識具有相當的普遍性，而且在下文介紹其框架過程中可以看到，我們并沒有刻意區分 Unix PAM 與 Linux PAM 這兩個技術術語。
PAM 的分層體系結構
PAM 為了實現其插件功能和易用性，采取了分層設計思想。就是讓各鑒別模塊從應用程序中獨立出來，然后通過 PAM API 作為兩者聯系的紐帶，這樣應用程序就可以根據需要靈活地在其中"插入"所需要的鑒別功能模塊，從而真正實現了在認證和鑒別基礎上的隨需應變。實際上，這一 思路也非常符合軟件設計中的"高內聚，低耦合"這一重要思想。
PAM 的體系如下簡圖所示：
從上面的結構圖可以看出，PAM 的 API 起著承上啟下的作用，它是應用程序和認證鑒別模塊之間聯系的紐帶和橋梁：當應用程序調用 PAM API 時，應用接口層按照 PAM 配置文件的定義來加載相應的認證鑒別模塊。然后把請求（即從應用程序那里得到的參數）傳遞給底層的認證鑒別模塊，這時認證鑒別模塊就可以根據要求執行具體 的認證鑒別操作了。當認證鑒別模塊執行完相應的操作后，再將結果返回給應用接口層，然后由接口層根據配置的具體情況將來自認證鑒別模塊的應答返回給應用程 序。
上面描述了 PAM 的各個組成部分以及整體的運作機理。下面將對 PAM 中的每一層分別加以介紹。
第一層：模塊層。模塊層處于整個 PAM 體系結構中的最底層，它向上為接口層提供用戶認證鑒別等服務。也就是說所有具體的認證鑒別工作都是由該層的模塊來完成的。對于應用程序，有些不但需要驗證 用戶的口令，還可能要求驗證用戶的帳戶是否已經過期。此外有些應用程序也許還會要求記錄和更改當前所產生的會話類的相關信息或改變用戶口令等。所以 PAM 在模塊層除了提供鑒別模塊外，同時也提供了支持帳戶管理、會話管理以及口令管理功能的模塊。當然，這四種模塊并不是所有應用程序都必需的，而是根據需要靈 活取舍。比如雖然 login 可能要求訪問上述所有的四種模塊，但是 su 可能僅僅需要使用到鑒別模塊的功能即可。至于如何取舍則涉及到接口層的 PAM API 和配置文件，這部分內容將在后文中加以介紹。
第二層：應用接口層。應用接口層位于 PAM 結構的中間部分，它向上為應用程序屏蔽了用戶鑒別等過程的具體細節，向下則調用模塊層中的具體模塊所提供的特定服務。由上圖可以看出，它主要由 PAM API 和配置文件兩部分組成，下面將逐一介紹。
PAM API 可以分為兩類：一類是用于調用下層特定模塊的接口，這類接口與底層的模塊相對應，包括：
- 鑒別類接口：pam_authenticate（）用于鑒別用戶身份，pam_setcred（）用于修改用戶的私密信息。
- 帳號類接口：pam_acct_mgmt（）用于檢查受鑒別的用戶所持帳戶是否有登錄系統許可，以及該帳戶是否已過期等。
- 會話類接口：包括用于會話管理和記帳的 pam_open_session（）和 pam_close_session（）函數。
- 口令類接口：包括用于修改用戶口令的 pam_chauthtok（）。
第二類接口通常并不與底層模塊一一對應，它們的作用是對底層模塊提供支持以及實現應用程序與模塊之間的通信等。具體如下：
- 管理性接口： 每組 PAM 事務從 pam_start（）開始，結束于 pam_end（）函數。接口 pam_get_item（）和 pam_set_item（）用來讀寫與 PAM 事務有關的狀態信息。同時，能夠用 pam_str（）輸出 PAM 接口的出錯信息。
- 應用程序與模塊間的通訊接口：在應用程序初始化期間，某些諸如用戶名之類的數據可以通過 pam_start（）將其存放在 PAM 接口層中，以備將來底層模塊使用。另外底層模塊還可以使用 pam_putenv（）向應用程序傳遞特定的環境變量，然后應用程序利用 pam_getenv（）和 pam_getenvlist（）讀取這些變量。
- 用戶與模塊間的通訊接口：pam_start（）函數可以通過會話式的回調函數，讓底層模塊通過它們讀寫模塊相關的鑒別信息，比如以應用程序所規定的方式提示用戶輸入口令。
- 模塊間通訊接口：盡管各模塊是獨立的，但是它們仍然能夠通過 pam_get_item（）和 pam_set_item（）接口共享某些與鑒別會話有關的公用信息，諸如用戶名、服務名、口令等。此外，這些 API 還可以用于在調用 pam_start（）之后，讓應用程序修改狀態信息。
- 讀寫模塊狀態信息的接口：接口 pam_get_data（）和 pam_set_data（）用以按照 PAM 句柄要求訪問和更新特定模塊的信息。此外，還可以在這些模塊后附加一個清除數據函數，以便當調用 pam_end（）時清除現場。
由于 PAM 模塊隨需加載，所以各模塊始化任務在第一次調用時完成。如果某些模塊的清除任務必須在鑒別會話結束時完成，則它們應該使用 pam_set_data（）規定清除函數，這些執行清除任務的函數將在應用程序調用 pam_end（）接口時被調用。
以上介紹了 Linux 可插拔認證模塊 PAM 的基本概念和分層體系結構，在后續文章里，將會介紹常見的 PAM 模塊應用以及相關實例。
關于作者
王基立（Jerrywjl），紅帽軟件（北京）有限公司資深解決方案架構師，熟悉紅帽所有平臺類產品和解決方案，擁有多年的售前架構規劃與售后 技術支持經驗。現主要負責華為、中興等大型電信企業以及金融、政府、教育等行業客戶在生產環境中的咨詢、培訓、現場實施和技術支持等工作。來自: InfoQ