HTTP Digest Access Authentication Schema

背景
介绍
Challenge
Response
摘要计算
流程
总结
参考

背景

随着年龄的增长，很多曾经烂熟于心的技术原理已被岁月摩擦得愈发模糊起来，技术出身的人总是很难放下一些执念，遂将这些知识整理成文，以纪念曾经努力学习奋斗的日子。本文内容并非完全原创，大多是参考其他文章资料整理所得，感谢每位技术人的开源精神。

介绍

HTTP Digest Access Authentication Schema，HTTP 摘要访问认证模式，是 HTTP 1.1 引入的替代 HTTP Basic Access Authentication Schema 的方案，为了解决 HTTP Basic Access Authentication Schema 中存在的安全问题：通过网络传输未加密的用户ID和密码。

HTTP Digest 同 HTTP Basic 一样，基于 challenge-response 认证机制实现身份认证方案，不同之处在于，HTTP Digest 不会直接发送明文密码，而是采用 checksum 检验方式对请求进行验证。

HTTP Digest Access Authentication 中的 challenge 使用一个 nonce 值，一个有效的 response 包含的 checksum 由 用户ID、密码、nonce、HTTP请求方法 和 HTTP请求URI 通过算法生成（默认 MD5），这样就永远不会以明文方式发送密码。

Challenge

服务器发送的 challenge：Digest digest-challenge，其中 Digest 指明服务器需要的访问认证方式，digest-challenge 格式如下：

realm | [domain] | nonce | [opaque] | [stale] | [algorithm] | [qop-options] | [auth-param]

其中 realm 和 nonce 这两个字段是必须的。字段说明：

realm：一个标识受保护资源的字符串，指示用户应该使用哪个用户ID和密码进行认证。此字符串至少应该包含执行认证的主机名称，还可以另外指示哪些用户集合可能具有访问权限，如：registered_users@somehost。
domain: 授权访问的URI列表，每项之间以空格符分隔。
nonce：服务器每次返回 401 Unauthorized 时生成的唯一随机数，通常推荐使用 Base64 编码或十六进制数，实际依赖于服务器的具体实现。服务器向客户端发送 challenge 时会附带一个 nonce 随机数，客户端返回的 response 中摘要值计算会用到此 nonce 值。nonce 的存在增加了破解密码的难度，防范了 中间人 及 恶意服务器 等攻击类型。RFC 2617建议生成随机数的计算公式：nonce=Base64(timestamp MD5(timestamp:ETag:private-key))。
opaque：服务器指定的一个数字字符串，客户端后续发送的对相同域（realm）的访问请求中，HTTP Headers 的 Authorization 应带有此值（保持不变），通常推荐使用 Base64 编码或十六进制数据。
stale：一个标识，表明客户端的上一请求中使用了过期的 nonce 值。如果为 TRUE 则提示客户端使用新的加密 response 值重试请求。只有当服务器收到一个 nonce 过期的请求，但该 nonce 有一个有效的摘要（表明客户端知道正确的用户ID和密码）时，服务器才应该将 stale 设置为 TRUE。
algorithm：一个字符串，指明生成摘要和校验和（checksum）的算法，如果没有设置则默认采用 MD5。
qop：quality of protection，质量保护，包含 auth 和 auth-int 两种策略，默认 auth，auth-int 增加了报文完整性检测。
auth-param：为未来扩展保留。

Response

客户端发送的 response：Digest digest-response，其中 Digest 指明客户端遵从的访问认证方式，digest-response 格式如下：

username | realm | nonce | digest-uri | response | [algorithm] | [cnonce] | [opaque] | [message-qop] | [nonce-count] | [auth-param]

字段说明：

username：用于特定域（realm）认证的用户ID。
digest-uri：请求的相对URI，因为代理在传输过程中可能修改请求，所以此处重复说明。
response：摘要，是由32位十六进制数字组成的字符串，证明客户端知道密码。
qop：同 challenge 中 qop 用途一致，必须是服务器发送的 challenge 中指明支持的 qop 之一，此值会影响摘要计算。
cnonce：客户端随机数，使得双方都可以查验对方的身份，并对消息的完整性提供一些保护。
nc：nonce 计数器，是一个十六进制的数值，表示同一 nonce 下客户端发送出请求的数量，在第一个 response 请求中 nc=00000001，目的是让服务器保持这个计数器的一个副本，以便检测重复的请求。
auth-param：为未来扩展保留。

摘要计算

response 的值由三步计算而成，使用冒号作为分隔符合并多个数值：

对用户ID、域（realm）及密码的合并值计算MD5哈希，结果称为 HA1（安全相关）。
- 如果算法是 MD5，则 A1=<userid>:<realm>:<password>
- 如果算法是 MD5-sess，则 A1=MD5(<user>:<realm>:<password>):<nonce>:<cnonce>
```
HA1 = MD5(A1) = MD5(username:realm:password)
```
对 HTTP 方法以及 URI 的摘要的合并值计算 MD5 哈希，如 GET 和 /dir/index.html，结果称为 HA2（报文相关）。A2 表示是与报文自身相关的信息，比如 URL，A2 加入摘要计算的主要目的是有助于防止反复。
- 若 qop 为指定或指定为 auth，则 A2=<request-method>:<uri-directive-value>
```
HA2 = MD5(A2) = MD5(method:digestURI)
```
- 若 qop 指定为 auth-int，则 A2=<request-method>:<uri-directive-value>:MD5(<request-entity-body>)
```
HA2 = MD5(A2) = MD5(method:digestURI:MD5(entityBody))
```
对 HA1、nonce、nc、cnonce、qop 以及 HA2 的合并值计算 MD5 哈希，结果即为客户端提供的 response 值，计算规则：
- 若 qop 没有指定，则 response = MD5(HA1:nonce:HA2)
- 若 qop 指定为 auth 或 auth-int，则 response = MD5(HA1:nonce:nonceCount:clientNonce:qop:HA2)

流程

HTTP Digest Access Authentication Schema

客户端请求访问受保护资源；
服务端接收到请求后，在请求头部（HTTP Request Headers）中未找到 Authorization，返回 401 Unauthorized，返回响应头（HTTP Response Headers）中带有 WWW-Authenticate：
```
WWW-Authenticate: Digest realm="testrealm@host.com", qop="auth,auth-int", nonce="dcd98b7102dd2f0e8b11d0f600bfb0c093", opaque="5ccc069c403ebaf9f0171e9517f40e41"
```

客户端收到服务器响应后，使用 用户ID、密码、nonce、HTTP请求方法 和 HTTP请求URI，通过指定算法（如默认的 MD5）计算生成一个摘要，将此摘要与认证请求一起发送给服务器进行认证。客户端发送的认证请求中包含 Authorization 头信息，格式如下：

Authorization: Digest username="Mufasa", realm="testrealm@host.com", nonce="dcd98b7102dd2f0e8b11d0f600bfb0c093", uri="/dir/index.html", qop=auth, nc=00000001, cnonce="0a4f113b", response="6629fae49393a05397450978507c4ef1", opaque="5ccc069c403ebaf9f0171e9517f40e41"

其中 response 的计算过程：

HA1 = MD5("Mufasa:testrealm@host.com:Circle Of Life") = 939e7578ed9e3c518a452acee763bce9
HA2 = MD5("GET:/dir/index.html") = 39aff3a2bab6126f332b942af96d3366
response = MD5("939e7578ed9e3c518a452acee763bce9:dcd98b7102dd2f0e8b11d0f600bfb0c093:00000001:0a4f113b:auth:39aff3a2bab6126f332b942af96d3366") = 6629fae49393a05397450978507c4ef1

服务器收到客户端的认证请求后，使用存储的密码和发送的参数计算摘要，如果与客户端发送的摘要匹配则认证成功。成功认证后，服务器可以返回 Authentication-Info 响应头，格式：
```
Authentication-Info: nextnonce | [message-qop] | [response-auth] | [cnonce] | [nonce-count]
```
字段说明：
- nextnonce：如果服务器返回 nextnonce，则客户端下次请求的头信息中 Authorization 的 nonce 需要设置为此值，否则可能导致服务器要求重新认证。
- message-qop：服务器应用与响应的 qop，auth 表示认证，auth-int 表示完整性认证保护，应该与对应的客户端请求中 qop 值一致。
- response-auth：支持双向身份认证，即表明服务器知道用户的密码。
- cnonce：同 response 中 cnonce。
- nonce-count：同 response 中 nc。

注意：

后续客户端可以提交新请求，重复使用服务器密码随机数（nonce），服务器仅在每次响应 401 Unauthorized 时发送新的 nonce。
后续请求中，十六进制请求计数器（nc）必须比前一次要大，否则攻击者可以使用同样的认证信息重放已有的请求。
服务器应当记住最近生成的密码随机数（nonce），也可以为每一个密码随机数分配一个过期时间，如果客户端请求中携带的是过期的密码随机数，则服务器响应 401 Unauthorized，并在 digest-challenge 中添加 stale=TRUE，表明客户端应该使用新的密码随机数重发请求。