Spring Security之安全异常处理

  • 开发
  • 19

前言

在我们的安全框架中，不管是什么框架（包括通过过滤器自定义）都需要处理涉及安全相关的异常，例如：登录失败要跳转到登录页，访问权限不足要返回页面亦或是json。接下来，我们就看看Spring Security是怎么处理异常的！

什么是异常处理

在Spring Security中，特指对于安全异常的处理。

我们知道Spring Security主要是基于过滤器来实现的，因此每个安全过滤器都可能发生安全异常，所以处理逻辑会被散落在各个过滤器中。

Spring自然是不能忍受这种设计，于是就有了专门的安全异常处理。

注：下文我们都用异常处理来代指安全异常处理。

异常处理设计

Spring Security将安全异常分为两类。

  • AuthenticationException —— 认证异常
    认证异常

    认证异常 触发原因 描述
    BadCredentialsException 无法识别凭证 可能是没有凭证/无法解密/格式不对等
    UsernameNotFoundException 没有找到用户 用户名没有对应的账号
    SessionAuthenticationException 认证过程中与session相关的校验。例如，控制多点登录时，当某用户多点登录超过规定数量就会发生 session认证异常
    AuthenticationServiceException 认证服务遇到无法处理的情况是触发 认证服务异常
    ProviderNotFoundException ProviderManager没有配置任何的Provider 没有Provider
    PreAuthenticatedCredentialsNotFoundException 与第三方认证系统集成时，发现客户端没有传凭证 前认证凭证没有找到
    AuthenticationCredentialsNotFoundException 这个主要是鉴权的时候发现没有认证，就会抛出 没有找到认证凭证。
    RememberMeAuthenticationException - 主要与记住我功能，恢复登录态有关
    NonceExpiredException - 这个主要与Digest认证方式有关
    AccountStatusException 校验账号状态时触发 账号状态异常

  • AccessDeniedException —— 访问拒绝异常
    访问拒绝异常

    访问拒绝异常 触发原因 描述
    AuthorizationServiceException 遇到无法处理的鉴权时触发 例如配置错误，数据类型错误
    CrsfException 防御Crsf时触发 这里有两个，分别对应WebFlux和WebMvc

    其实对于鉴权来说，只要发现权限不满足，都是直接抛出AccessDeniedException的。

认证异常和访问拒绝异常的区别

与访问拒绝异常相比，认证异常要复杂不少。这是由认证过程和认证方式的多样性导致的。

  • 认证过程：
    一个完整的用户密码认证过程各组件的调用关系和简化
    一个完整的用户密码认证过程各组件的调用关系和简化组件都有不少，更何况要捋清楚调用关系。上面也只能是给大家看看认证过程中需要干啥，有哪些组件负责。
  • 认证方式：
    这个就不多啰嗦，前面说认证过滤器的时候有说过。

异常处理器

异常 类定义 异常处理器
认证异常 AuthenticationException AuthenticationFailureHandler
访问异常 AccessDeniedException AccessDeniedHandler

为什么要搞两个异常，还要搞两个组件来处理呢？

  1. 从安全业务上说，本来就是两种业务，访问跟认证是两个事情。
  2. 从单一职责原则来说，肯定要进行拆分，因为这两个组件处理的是不同的异常。
  3. 一般而言，登录异常我们是需要重定向到登录页面的，而接口访问异常则不然，一般通过返回错误拒绝请求。

实际上，这两个组件定义的可以说一模一样：

public interface AuthenticationFailureHandler {
	void onAuthenticationFailure(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, AuthenticationException authException)
			throws IOException, ServletException;
}

public interface AccessDeniedHandler {
	void handle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, AccessDeniedException accessDeniedException)
			throws IOException, ServletException;
}

除了方法名，和入参的异常不同，其他的都是一样的。甚至，如果我们进一步看看异常的定义的话，连异常定义也是类似的，都是继承于RuntimeException，没有任何其他多余的字段和逻辑。

AuthenticationFailureHandler的实现

AuthenticationFailureHandler 描述
AuthenticationEntryPointFailureHandler 通过AuthenticationEntryPoint组件处理
SimpleUrlAuthenticationFailureHandler 重定向到指定URL，如果没有指定，则退化返回401
ForwardAuthenticationFailureHandler 重定向到指定的URL，必须指定URL
ExceptionMappingAuthenticationFailureHandler 通过匹配异常寻找对应的处理器，一般由用户自行配置。
DelegatingAuthenticationFailureHandler 委托其他的处理器处理

这里有一个特殊的，他使用另一个组件AuthenticationEntryPoint进行处理。

AuthenticationEntryPoint

  • Http403ForbiddenEntryPoint
    他是处理登录异常的通用的可选方案，通常是AbstractPreAuthenticatedProcessingFilter（基于外部认证服务器进行认证）。核心逻辑：总是返回403。
    这个实现是用来兜底的，如果找不到其他的，那就会用他。

  • HttpStatusEntryPoint
    他是一种可选方案，直接返回一个用户指定的http状态，response.setStatus(this.httpStatus.value())。

  • LoginUrlAuthenticationEntryPoint
    如果我们使用的是UsernamePasswordAuthenticationFilter，那么默认使用的就是这个。其核心逻辑也比较简单明了，就是重定向到登录页面。如果我们往上一层对比到SimpleUrlAuthenticationFailureHandler 、ForwardAuthenticationFailureHandler ，他的区别在于如果我们指定了loginPage，那么就会使用他。他会自动识别是绝对地址还是相对地址进行拼接。

  • DigestAuthenticationEntryPoint
    显然，他是为DigestAuthenticationFilter服务的。他会设置一些与Digest相关的请求头，然后调用response.sendError方法处理。

  • BasicAuthenticationEntryPoint
    为BasicAuthenticationFilter服务。核心逻辑与Digest类似，也是设置相关请求头，通过response.sendError方法处理。

  • DelegatingAuthenticationEntryPoint
    委托。没有自己的逻辑，而是交给别的AuthenticationEntryPoint。

AccessDeniedHandler的实现

  • AccessDeniedHandlerImpl
    基础实现，也是默认实现。设置HTTP错误码-403，并转发到错误页面。
  • InvalidSessionAccessDeniedHandler
    显然是为了处理session失效异常的。不过有趣的是，官方在CsrfConfigurer中引入这个。并且是为了处理MissingCsrfTokenException的。并且为了单一职责，还构建了下面的委托处理器。
  • DelegatingAccessDeniedHandler
    委托处理器。他管理着哪些异常对应哪个处理器，并将当前异常的处理交付给对应的处理器处理。故而得名“委托”处理器，算是个代理人吧。当然，他要求必须有个兜底的默认处理器。
  • RequestMatcherDelegatingAccessDeniedHandler
    他也是委托处理器，不同点在于，他是RequestMatcherDelegating，也即基于RequestMatcher进行Request匹配处理器。
  • ObservationMarkingAccessDeniedHandler
    他是用来统计数据的，观察标记。
  • CompositeAccessDeniedHandler
    组合模式的实现，用来管理多个处理器。目前看的话，主要是为了统计服务，因为他会调用每一个处理器，这可能会出现问题。只有统计这个处理器，需要其他的处理器来实现真正的处理，需要配合。

到这里问一句，这里我们看到了几种设计模式？策略模式、委托模式、组合模式。可以看到Spring对于代码的追求，这也是我们阅读源码的目的之一，学习好的设计。而这背后都是设计原则。

异常处理原理

前面我们大概了解了异常处理的来龙去脉，知道了其核心组件。现在我们来深入了解其原理。

认证异常处理原理

要理解这个，就必须回顾一下认证流程（这里以默认的用户密码登录为例）：

AbstractAuthenticationProcessingFilter#doFilter
> UsernamePasswordAuthenticationFilter#attemptAuthentication
|-> ProviderManager#authenticate
|-|-> AbstractUserDetailsAuthenticationProvider#authenticate
|-|-|->DaoAuthenticationProvider#retrieveUser
|-|-|-|->JdbcDaoImpl#loadUserByUsername
|-|-|->DaoAuthenticationProvider#additionalAuthenticationChecks
|-|-|->DaoAuthenticationProvider#createSuccessAuthentication
|-|-|->AbstractUserDetailsAuthenticationProvider#createSuccessAuthentication
// 同层级的表示顺序调用，不同层级的：上层方法调用下层方法，是递进关系。层级减少表示方法返回

负责处理认证请求的AbstractAuthenticationProcessingFilter#doFilter方法中会捕获异常，并交给unsuccessfulAuthentication方法处理。

public abstract class AbstractAuthenticationProcessingFilter extends GenericFilterBean
		implements ApplicationEventPublisherAware, MessageSourceAware {
	
	protected void unsuccessfulAuthentication(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response,
			AuthenticationException failed) throws IOException, ServletException {
		// 1. 清空安全上下文
		this.securityContextHolderStrategy.clearContext();
		// 2. 记住我功能，清空cookie，认证失败的处理
		this.rememberMeServices.loginFail(request, response);
		// 3. 通过认证失败处理处理
		this.failureHandler.onAuthenticationFailure(request, response, failed);
	}
}

默认情况下，会使用SimpleUrlAuthenticationFailureHandler重定向到登录页面。

什么？怎么知道是这个处理器？行吧，我们来看看FormLoginConfigurer的源码吧。

public final class FormLoginConfigurer<H extends HttpSecurityBuilder<H>> extends
		AbstractAuthenticationFilterConfigurer<H, FormLoginConfigurer<H>, UsernamePasswordAuthenticationFilter> {
	
	public FormLoginConfigurer() {
		// 调用父类构造器
		super(new UsernamePasswordAuthenticationFilter(), null);
		usernameParameter("username");
		passwordParameter("password");
	}
	
	/**
	 * 在配置过目标过滤器之前，会先调用这个方法进行Configurer的初始化
	 */
	@Override
	public void init(H http) throws Exception {
		// 初始化父类
		super.init(http);
		// 初始化默认的登录页面
		initDefaultLoginFilter(http);
	}
}

public abstract class AbstractAuthenticationFilterConfigurer<B extends HttpSecurityBuilder<B>, T extends AbstractAuthenticationFilterConfigurer<B, T, F>, F extends AbstractAuthenticationProcessingFilter>
		extends AbstractHttpConfigurer<T, B> {
	
	protected AbstractAuthenticationFilterConfigurer(F authenticationFilter, String defaultLoginProcessingUrl) {
		// 调用另一个构造器
		this();
		this.authFilter = authenticationFilter;
		if (defaultLoginProcessingUrl != null) {
			// 由于FormLoginConfigurer的构造器中传的是null，因此不会走到这
			// 当然，由于这个方法是public，因此也可以在配置时被我们调用
			// 他无非就是指定什么地址是认证请求罢了
			loginProcessingUrl(defaultLoginProcessingUrl);
		}
	}
	protected AbstractAuthenticationFilterConfigurer() {
		// 构造器中设置登录页面uri
		setLoginPage("/login");
	}
	private void setLoginPage(String loginPage) {
		this.loginPage = loginPage;
		// 指定AuthenticationEntryPoint，后面异常处理过滤器用的是这个来处理没有登录的异常。
		this.authenticationEntryPoint = new LoginUrlAuthenticationEntryPoint(loginPage);
	}
	
	@Override
	public void init(B http) throws Exception {
		// 更新/初始化认证相关的默认组件
		updateAuthenticationDefaults();
		// 更新访问权限-认证页面、认证请求、认证失败
		updateAccessDefaults(http);
		// 注册默认的AuthenticationEntryPoint
		registerDefaultAuthenticationEntryPoint(http);
	}
	protected final void updateAuthenticationDefaults() {
		if (this.loginProcessingUrl == null) {
			loginProcessingUrl(this.loginPage);
		}
		if (this.failureHandler == null) {
			// 指定默认的异常跳转页面
			failureUrl(this.loginPage + "?error");
		}
		LogoutConfigurer<B> logoutConfigurer = getBuilder().getConfigurer(LogoutConfigurer.class);
		if (logoutConfigurer != null && !logoutConfigurer.isCustomLogoutSuccess()) {
			logoutConfigurer.logoutSuccessUrl(this.loginPage + "?logout");
		}
	}
	public final T failureUrl(String authenticationFailureUrl) {
		// 就是这个啦
		T result = failureHandler(new SimpleUrlAuthenticationFailureHandler(authenticationFailureUrl));
		this.failureUrl = authenticationFailureUrl;
		return result;
	}
	protected final void registerAuthenticationEntryPoint(B http, AuthenticationEntryPoint authenticationEntryPoint) {
		// 所谓注册就是注册到异常处理过滤器上
		// 思考个问题：下面这种处理方式不就耦合ExceptionHandlingConfigurer了吗？
		// 为什么不是像其他的sharedObject那样，直接放到HttpSecurityd#sharedObjects中，在ExceptionHandlingConfigurer再自行获取设置。
		// 答：如果这样的话，会导致BUG。init方法是在执行了用户配置方法之后在HttpSecurity构建过滤器链的时候调用的。有可能将用户配置的覆盖了。
		ExceptionHandlingConfigurer<B> exceptionHandling = http.getConfigurer(ExceptionHandlingConfigurer.class);
		if (exceptionHandling == null) {
			return;
		}
		exceptionHandling.defaultAuthenticationEntryPointFor(postProcess(authenticationEntryPoint),
				getAuthenticationEntryPointMatcher(http));
	}
}

从FormLoginConfigurer出发，我们知道UsernamePasswordAuthenticationFilter使用的是SimpleUrlAuthenticationFailureHandler，同时ExceptionTranslationFilter使用的是LoginUrlAuthenticationEntryPoint。但这个设计我没有很理解，个人觉得应该在顶层都使用AuthenticationFailureHandler才合理。不知道是不是为了区分场景。

  • 场景一：登录处理时发生的异常，直接被捕获处理了。
  • 场景二：是鉴权时发现没有任何凭证，由异常处理过滤器处理。

但SimpleUrlAuthenticationFailureHandler、LoginUrlAuthenticationEntryPoint，内部处理没有太大区别，都是为了跳转到登录页面。

访问拒绝异常处理原理

鉴权相关的，之前我们聊过，忘记的同学可以通过下面的链接再回忆复习一下。可能文章的题目可能说的权限配置，但同时也从原理上给大家分析了如何鉴权的。也正是因为有两种方式，所以没有单独写鉴权过滤器。因为基于HttpRequest的配置方式的鉴权原理是通过AuthorizationFilter，也就是过滤器实现的。而另一种权限配置方式-基于方法配置权限-则是通过AOP实现的。

ExceptionTranslationFilter

他主要负责处理的是鉴权过程中发生的异常。这里就包括用户权限不足的AccessDeniedException，以及鉴权时发现用户还没有登录而抛出的认证异常。

public class AuthorizationFilter extends GenericFilterBean {
	private Authentication getAuthentication() {
		Authentication authentication = this.securityContextHolderStrategy.getContext().getAuthentication();
		if (authentication == null) {
			throw new AuthenticationCredentialsNotFoundException(
					"An Authentication object was not found in the SecurityContext");
		}
		return authentication;
	}
}

public class ExceptionTranslationFilter extends GenericFilterBean implements MessageSourceAware {

	private void doFilter(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, FilterChain chain)
			throws IOException, ServletException {
		try {
			chain.doFilter(request, response);
		}
		catch (IOException ex) {
			throw ex;
		}
		catch (Exception ex) {
			// 尝试从异常堆栈中找到安全异常
			Throwable[] causeChain = this.throwableAnalyzer.determineCauseChain(ex);
			RuntimeException securityException = (AuthenticationException) this.throwableAnalyzer
				.getFirstThrowableOfType(AuthenticationException.class, causeChain);
			if (securityException == null) {
				securityException = (AccessDeniedException) this.throwableAnalyzer
					.getFirstThrowableOfType(AccessDeniedException.class, causeChain);
			}
			if (securityException == null) {
				// 不是安全异常，直接重新抛出
				rethrow(ex);
			}
			if (response.isCommitted()) {
				// 如果response已经提交，则抛出servlet异常
				throw new ServletException("Unable to handle the Spring Security Exception "
						+ "because the response is already committed.", ex);
			}
			// 处理安全异常
			handleSpringSecurityException(request, response, chain, securityException);
		}
	}
	
	private void handleSpringSecurityException(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response,
			FilterChain chain, RuntimeException exception) throws IOException, ServletException {
		if (exception instanceof AuthenticationException) {
			// 处理认证异常
			handleAuthenticationException(request, response, chain, (AuthenticationException) exception);
		}
		else if (exception instanceof AccessDeniedException) {
			// 处理访问异常
			handleAccessDeniedException(request, response, chain, (AccessDeniedException) exception);
		}
	}
	private void handleAuthenticationException(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response,
			FilterChain chain, AuthenticationException exception) throws ServletException, IOException {
		// 这里是转换方法名，是一种代码追求、也是一种代码的自解释：对于上层方法的作用是处理认证异常，而处理认证异常的手段是发送开始认证（其实就是跳转到登录页面开始登录流程），因为走到这的都是鉴权时不存在凭证导致的认证异常。
		sendStartAuthentication(request, response, chain, exception);
	}

	private void handleAccessDeniedException(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response,
			FilterChain chain, AccessDeniedException exception) throws ServletException, IOException {
		Authentication authentication = this.securityContextHolderStrategy.getContext().getAuthentication();
		boolean isAnonymous = this.authenticationTrustResolver.isAnonymous(authentication);
		if (isAnonymous || this.authenticationTrustResolver.isRememberMe(authentication)) {
			// 对于匿名用户或者不是记住我用户，直接跳转登录页开始登录流程
			sendStartAuthentication(request, response, chain,
					new InsufficientAuthenticationException(
							this.messages.getMessage("ExceptionTranslationFilter.insufficientAuthentication",
									"Full authentication is required to access this resource")));
		}
		else {
			// 正常用户则通过AccessDeniedHandler处理
			this.accessDeniedHandler.handle(request, response, exception);
		}
	}
	protected void sendStartAuthentication(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, FilterChain chain,
			AuthenticationException reason) throws ServletException, IOException {
		// SEC-112: Clear the SecurityContextHolder's Authentication, as the
		// existing Authentication is no longer considered valid
		SecurityContext context = this.securityContextHolderStrategy.createEmptyContext();
		// 清空安全上下文		
		this.securityContextHolderStrategy.setContext(context);
		// 记录当前权限不足的请求，登录成功后可能需要自动跳转
		this.requestCache.saveRequest(request, response);
		// 通过AuthenticationEntryPoint处理，这里是跳转到登录页面
		this.authenticationEntryPoint.commence(request, response, reason);
	}
}

总结

  1. 异常处理体系包括
    异常定义分两类 —— 认证异常、访问拒绝异常（鉴权异常）
    异常处理器 —— AuthenticationFailureHandler、AccessDeniedHandler分别对应异常分类
    异常的处理 —— 认证过滤器和异常处理器
  2. 认证异常的处理一般是跳转到登录页面。
    访问异常的处理默认则是AccessDeniedHandlerImpl处理，发送403错误码或者跳转到错误页。

后记

前阵子搬家，一直在适应新屋子的生活节奏，拖了不少时间，对不住了各位。后面应该会回复正常。
至此，咱们聊了认证、鉴权、session、异常处理，接下来咱们聊聊认证过程中一些小的功能点，例如：登录后跳转到之前异常的请求、RemenberMe、多处登录控制。

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