一种基于HTTPS实现的Web账号登录Linux桌面系统的实现方案

问题由来

客户需求计划列入支持第三方帐号系统，包括Web账号。需求来源是用户想要用它们的帐号直接登录Linux Deepin操作系统。一个失败的实现方案是用户以较小的成本改造帐号管理系统发布HTTP服务，我们开发一个PAM模块与Web服务器交互，数据格式化采用JSON。结果遇到su提示帐号不存在的问题。在Linux Deepin系统登录界面、通过技术手段进入桌面后发现锁屏界面无法解锁等诸多问题。通过程序验证和su源代码分析验证，此方案最大的局限性是su在识别到用户的信息之前不会执行PAM模块。此方案只能用程序调用pam_authenticate触发PAM模块的执行。

Linux Name Service Switch

Linux NSS (Name Service Switch) 是一种在 Linux 系统中实现域名解析，用户认证和授权等功能的模块化系统。它提供了一种灵活的方式来配置系统如何查找用户，组，密码和其他网络资源的信息。

NSS 的核心概念是所谓的 “Switch”，这是一组可插入的模块，它们根据一定的顺序来处理不同类型的请求。用户可以通过编辑 /etc/nsswitch.conf 文件来配置这些模块的加载顺序，以达到满足自己特定需求的目的。例如，您可以通过 NSS 配置更改系统的验证源，以便使用 LDAP 或 Kerberos 等网络身份验证服务，而不是使用本地 /etc/passwd 文件。

Linux NSS 可以支持多种不同的数据源，包括本地文件、NIS、LDAP、Kerberos 等。这些模块还可以针对特定服务或应用程序进行定制化，以实现更高效的查询和更安全的身份验证和授权。使用 Linux NSS，系统管理员可以更灵活地管理 Linux 系统，满足不同用户对系统资源和服务的需求。

本文将详细讲解开发过程，实现Web账号登录Linux桌面系统。

关于getpwnam函数

NSS的作用是识别身份信息。传统的用户名和密码验证方式，身份信息是一个字符串。NSS通过调用这个方法寻找这个字符串对应到系统中的用户，获取它关联的UID和GID，从而对它进行管理。Oracle官方文档原话：

The name service switch is a file named nsswitch.conf. It controls how a client machine or application obtains network information. It is used by client applications that call any of the getXbyY() interfaces such as the following.

gethostbyname()
getpwuid()
getpwnam()
getipnodebyname()

getpwnam不是直接读取读取/etc/passwd或者/etc/shadow文本文件，它取决于nsswitch.conf中passwd这一行的配置。对于Linux Deepin操作系统如果配置了files或者compat，那么最终由libnss_files-2.28.so或者libnss_compat-2.28.so读取这几个配置文件，程序从getpwnam运行到了_nss_files_getpwnam_r或者_nss_compat_getpwnam_r。

NSS释义

这里的NSS指的是Linux Name Service Switch，不是Linux Network Security Service。两者对Linux都很重要，资料都很稀缺。我们可以理解为名字解析服务，它实现把外部输入的用户信息与系统中的用户信息关联。它按照/etc/nsswitch.conf指定的顺序逐个模块调用，如果找到了，就立即返回libc，su根据返回的用户信息启动PAM流程，进行身份验证。

nsswitch配置文件格式

一行写一种类型的配置，每行以类型名称加冒开头，以NSS模块名称列表结尾，多个NSS模块名称以空格隔开。NSS总共支持16种类型的配置。常见的有passwd、group、shadow、gshadow、hosts、networks、protocols、rpc、netgroup等等。其中passwd类别实现用户身份识别。模块与类别不是一对一的关系，libc给每个类型别都定义了一套接口，这个接口函数名通常以_r结尾，比如getpwuid_r。NSS模块的实现是动态链接库，文件名必须以libnss_为前缀，以.so或.so.2为后缀，中间部分就是模块名称，比如libnss_mjaw.so，它的模块名称就是mjaw。因它实现了passwd、group、shadow、gshadow、hosts、networks、rpc、protocols这些类别的接口，所以配置文件中这些类型对应的行都可以加上mjaw这个模块名称。

开发

引用Petzold Charles先生的一句名言： Do not call me, I will call you 。NSS程序设计须深刻理解这句话，下面的每一个函数都不是开发者要调用的函数，而是系统用户态边界一定会调用你的函数。

NSS模块要求开发者采用C语言，Qt代码无法在PAM和NSS模块的上下文环境中运行。在PAM和NSS模块编程中采用C与C++混合编程的方式对于Qt来说有很多问题需要解决，其它的框架暂未尝试。对于HTTP，可以用cURL。对于Json解析，可采用cJSON，对于密码加密，可采用mHash。

认证数据的存储

NSS模块须自行管理认证数据。因此首先建立一个链表.

重要的头文件

#include "passwd_list.h"
#include "malloc.h"
#include <pwd.h>
#include <string.h>

#include <cjson/cJSON.h>
#include <mhash.h>
#include <curl/curl.h>

创建链表

MJAW_INTERNAL pmjaw_passwd_list_t passwd_create()
{
    pmjaw_passwd_list_t node = (pmjaw_passwd_list_t)calloc(sizeof(mjaw_passwd_list_t), 1);
    return node;
}

创建认证账号

MJAW_INTERNAL passwd_t passwd_create2()
{
    passwd_t pwd = (passwd_t)calloc(sizeof(struct passwd), 1);
    pwd->pw_name = (char *)calloc(UINT8_MAX, 1);
    pwd->pw_gecos = (char *)calloc(UINT8_MAX, 1);
    pwd->pw_shell = (char *)calloc(UINT8_MAX, 1);
    pwd->pw_dir = (char *)calloc(UINT8_MAX, 1);
    pwd->pw_passwd = (char *)calloc(UINT8_MAX, 1);
}

释放链表

MJAW_INTERNAL void passwd_free(pmjaw_passwd_list_t head)
{
    pmjaw_passwd_list_t each = head->next;
    while (each) {
        pmjaw_passwd_list_t del = each;
        each = each->next;
        passwd_free2(del->data);
        free(del);
    }
    free(head);
}

释放认证账号

MJAW_INTERNAL void passwd_free2(passwd_t data)
{
    free(data->pw_name);
    free(data->pw_gecos);
    free(data->pw_shell);
    free(data->pw_dir);
    free(data->pw_passwd);
    free(data);
}

获取指定索引位置的用户对象

/**
 * @brief 获取指定索引位置的用户对象
 *
 * @param head
 * @param nindex
 * @return MJAW_INTERNAL
 */
MJAW_INTERNAL passwd_t passwd_at(pmjaw_passwd_list_t head, int nindex)
{
    if (nindex >= passwd_size(head)) {
        return NULL;
    }
    pmjaw_passwd_list_t each = head->next;
    int neach = 0;
    while (each && neach < nindex) {
        each = each->next;
        neach++;
    }
    return each->data;
}

根据用户名查找用户对象

/**
 * @brief 根据用户名查找用户对象
 *
 * @param head
 * @param username
 * @return MJAW_INTERNAL
 */
MJAW_INTERNAL passwd_t passwd_find_id_by_username(pmjaw_passwd_list_t head, const char *username)
{
    pmjaw_passwd_list_t find = head->next;
    while (find) {
        if (strcmp(find->data->pw_name, username) == 0) {
            return find->data;
        }
    }
    return NULL;
}

根据用户ID查找用户对象

/**
 * @brief 根据用户ID查找用户对象
 *
 * @param head
 * @param uid
 * @return MJAW_INTERNAL
 */
MJAW_INTERNAL passwd_t passwd_find_username_by_id(pmjaw_passwd_list_t head, uint32_t uid)
{
    pmjaw_passwd_list_t find = head->next;
    while (find) {
        if (find->data->pw_uid == uid) {
            return find->data;
        }
    }
    return NULL;
}

获取指定用户ID的索引

/**
 * @brief 获取指定用户ID的索引
 *
 * @param head
 * @param uid
 * @return MJAW_INTERNAL
 */
MJAW_INTERNAL int passwd_indexof(pmjaw_passwd_list_t head, uint32_t uid)
{
    pmjaw_passwd_list_t each = head->next;
    int nindex = 0;
    int bfind = 0;
    while (each) {
        if (each->data->pw_uid == uid) {
            bfind = 1;
            break;
        }
        nindex++;
    }
    if (bfind) {
        return nindex;
    }
    return -1;
}

在队列末尾增加一个用户对象


/**
 * @brief 在队列末尾一个用户对象
 *
 * @param head
 * @param data
 * @return MJAW_INTERNAL
 */
MJAW_INTERNAL void passwd_append(pmjaw_passwd_list_t head, passwd_t data)
{
    // mjaw_log0(__FILE__, __LINE__, __func__, "enter");
    pmjaw_passwd_list_t end = head;
    while (end->next) {
        end = end->next;
    }
    pmjaw_passwd_list_t node = passwd_create();
    node->data = passwd_create2();
    node->data->pw_uid = data->pw_uid;
    node->data->pw_gid = data->pw_gid;
    strncpy(node->data->pw_name, data->pw_name, UINT8_MAX);
    strncpy(node->data->pw_gecos, data->pw_gecos, UINT8_MAX);
    strncpy(node->data->pw_shell, data->pw_shell, UINT8_MAX);
    strncpy(node->data->pw_dir, data->pw_dir, UINT8_MAX);
    strncpy(node->data->pw_passwd, data->pw_passwd, UINT8_MAX);
    node->previous = end;
    end->next = node;
    // mjaw_log0(__FILE__, __LINE__, __func__, "leave");
}

移除指定索引位置的用户对象

/**
 * @brief 移除指定索引位置的用户对象
 *
 * @param head
 * @param nindex
 * @return MJAW_INTERNAL
 */
MJAW_INTERNAL void passwd_remove(pmjaw_passwd_list_t head, int nindex)
{
    if (nindex >= passwd_size(head)) {
        return;
    }
    pmjaw_passwd_list_t remove = head->next;
    int neach = 0;
    while (remove && neach < nindex) {
        remove = remove->next;
        neach++;
    }
    remove->next->previous = remove->previous;
    remove->previous->next = remove->next;
    passwd_free2(remove->data);
    free(remove);
}

获取队列大小

/**
 * @brief 获取队列大小，HEAD本身不参与计算
 *
 * @param head
 * @return MJAW_INTERNAL
 */
MJAW_INTERNAL uint32_t passwd_size(pmjaw_passwd_list_t head)
{
    uint32_t nsize = 0;
    while (head = head->next) {
        nsize++;
    }
    return nsize;
}

账号克隆

/**
 * @brief 用户信息复制
 *
 * @param from
 * @param to
 * @return MJAW_INTERNAL
 */
MJAW_INTERNAL void passwd_copy(const passwd_t from, passwd_t to)
{
    memset(to, 0, sizeof(struct passwd));
    to->pw_name = (char *)calloc(UINT8_MAX, 1);
    to->pw_gecos = (char *)calloc(UINT8_MAX, 1);
    to->pw_shell = (char *)calloc(UINT8_MAX, 1);
    to->pw_dir = (char *)calloc(UINT8_MAX, 1);
    to->pw_passwd = (char *)calloc(UINT8_MAX, 1);
    to->pw_name = from->pw_name;
    to->pw_passwd = from->pw_passwd;
    to->pw_uid = from->pw_uid;
    to->pw_gid = from->pw_gid;
    to->pw_gecos = from->pw_gecos;
    to->pw_dir = from->pw_dir;
    to->pw_shell = from->pw_shell;
    strncpy(to->pw_name, from->pw_name, UINT8_MAX);
    strncpy(to->pw_gecos, from->pw_gecos, UINT8_MAX);
    strncpy(to->pw_shell, from->pw_shell, UINT8_MAX);
    strncpy(to->pw_dir, from->pw_dir, UINT8_MAX);
    strncpy(to->pw_passwd, from->pw_passwd, UINT8_MAX);
}

Web互通

Web账号登录Linux桌面的通讯环节，假定存在一个RESTful服务http://127.0.0.1:1081提供json数据接口。

cURL发起请求

兼顾处理网络错误。

/**
 * @brief curl回调，收集数据
 *
 * @param buffer
 * @param size
 * @param nmemb
 * @param user_p
 * @return size_t
 */
static size_t mjaw_curl_login_data(void *buffer, size_t size, size_t nmemb, void *user_p)
{
    char *wrapper = (char *)user_p;
    // mjaw_logv(__FILE__, __LINE__, __func__, "buffer size: %d, size: %d, nmemb: %d", strlen((char *)buffer), size, nmemb);
    strncat(wrapper, buffer, nmemb);
    return nmemb;
}

static bool network_has_error(cJSON **httpContent)
{
    //执行网络请求查询所有用户
    char buffer[UINT16_MAX] = {0};
    CURL *pcurl = curl_easy_init();
    curl_easy_setopt(pcurl, CURLOPT_URL, "http://127.0.0.1:1081/users");
    curl_easy_setopt(pcurl, CURLOPT_TIMEOUT, 3);
    curl_easy_setopt(pcurl, CURLOPT_WRITEFUNCTION, mjaw_curl_login_data);
    curl_easy_setopt(pcurl, CURLOPT_WRITEDATA, buffer);
    CURLcode icode = curl_easy_perform(pcurl);
    //如果网络请求失败
    if (icode != CURLE_OK) {
        mjaw_log1i(__FILE__, __LINE__, __func__, " nss_cw can not access website. curl error code: %d.", icode);
        return true;
    }
    //把HTTP返回转换成json对象
    cJSON *res = cJSON_Parse(buffer);
    //json对象必须是数组
    if (!cJSON_IsArray(res)) {
        // mjaw_logv(__FILE__, __LINE__, __func__, "parse http response error: %s", buffer);
        cJSON_Delete(res);
        return true;
    }
    *httpContent = res;
    return false;
}

cJSON库解析账号信息

/**
 * @brief 从指定的配置读取Web服务器上的用户列表并保存到列表
 *
 * @param head
 * @return MJAW_INTERNAL
 */
MJAW_INTERNAL void passwd_init(pmjaw_passwd_list_t head)
{
    cJSON *res = NULL;
    if (network_has_error(&res)) {
        return;
    }
    int iSize = cJSON_GetArraySize(res);
    for (int i = 0; i < iSize; i++) {
        cJSON *obj = cJSON_GetArrayItem(res, i);
        bool badmin = cJSON_IsTrue(cJSON_GetObjectItem(obj, "admin"));
        passwd_t data = passwd_create2();
        data->pw_uid = (uint32_t)cJSON_GetObjectItem(obj, "uid")->valueint;
        if (badmin) {
            data->pw_gid = 0;
        } else {
            data->pw_gid = data->pw_uid;
        }
        strncpy(data->pw_name, cJSON_GetObjectItem(obj, "username")->valuestring, UINT8_MAX);
        // strcpy(data->pw_shell, "/bin/bash");
        strcpy(data->pw_dir, "/home/http/");
        strncat(data->pw_dir, data->pw_name, UINT8_MAX);
        strncpy(data->pw_gecos, data->pw_name, UINT8_MAX);
        //这里是约定
        strcpy(data->pw_passwd, "!");
        passwd_append(head, data);
    }
    cJSON_Delete(res);
}

NSS核心：身份识别

NSS的概念可以推广开来，应用到人脸、指纹等生物特征识别。

重要的头文件

#ifdef __cplusplus
#include <iostream>
#include <string>
#else
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#endif

//c run time
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <time.h>
#include <stdarg.h>

//linux
#include <unistd.h>
#include <nss.h>
#include <grp.h>
#include <pwd.h>
#include <dlfcn.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <syslog.h>

//external reference
#include <cjson/cJSON.h>
#include <mhash.h>
#include <curl/curl.h>

#include "nss_passwd.h"
#include "common.h"

下文以NSS接口名称为标题，举例说明NSS接口的实现过程。

getpwnam


//all over record
static int i_record_index = 0;
static pmjaw_passwd_list_t head_passwd = NULL;

static enum nss_status local_getpwnam_r(const char *name, struct passwd *result, char *buffer, size_t buflen, int *errop)
{
    // dlopen("/usr/lib/%s-linux-gnu/libnss_files.so.2",)
    return NSS_STATUS_SUCCESS;
}


/**
 * @brief 解析用户对象，给用户赋权
 *
 * @param name
 * @param result
 * @param buffer
 * @param buflen
 * @param errop
 * @return MJAW_EXPORT
 */
MJAW_EXPORT nss_status _nss_mjaw_getpwnam_r(const char *name, struct passwd *result, char *buffer, size_t buflen, int *errop)
{
    mjaw_log0(__FILE__, __LINE__, __func__, "enter");
    if (!head_passwd) {
        head_passwd = passwd_create();
        passwd_init(head_passwd);
    }
    //打开系统日志
    // openlog("nss_cw", LOG_CONS | LOG_PID | LOG_NDELAY, LOG_LOCAL1);
    //buffer重置为空
    memset(buffer, 0, buflen);
    //result结构体本身的内存由调用者传入
    if (!result) {
        mjaw_log0(__FILE__, __LINE__, __func__, " result can not be empty.");
        return NSS_STATUS_NOTFOUND;
    }

    //输出开始处理的日志
    mjaw_logv(__FILE__, __LINE__, __func__, "begin receive name: %s, uid: %d, gid: %d", name, result->pw_uid, result->pw_gid);

    //获取web对用户id和组id的定义
    passwd_t user = passwd_find_id_by_username(head_passwd, name);

    if (user == NULL) {
        passwd_free(head_passwd);
        return NSS_STATUS_NOTFOUND;
    }
    passwd_copy(user, result);

    //输出完成处理的日志
    mjaw_logv(__FILE__, __LINE__, __func__, "end : %s, uid: %d, gid: %d", name, result->pw_uid, result->pw_gid);

    //按约定返回0（非零被su判定用户不存在）
    *errop = 0;
    passwd_free(head_passwd);
    //关闭系统日志
    // closelog();
    return NSS_STATUS_SUCCESS;
}

setpwent

这个接口的含义是系统通知NSS模块清理内存，并准备一个新的账号列表。此时是Linux Deepin本地同步远端Web账号的机会。

/**
 * @brief init data list cache
 *
 * @return MJAW_EXPORT
 */
MJAW_EXPORT nss_status _nss_mjaw_setpwent()
{
    mjaw_log0(__FILE__, __LINE__, __func__, "enter");
    if (!head_passwd || !passwd_size(head_passwd)) {
        head_passwd = passwd_create();
        passwd_init(head_passwd);
    }
    mjaw_logv(__FILE__, __LINE__, __func__, "data size: %d", passwd_size(head_passwd));
    i_record_index = 0;
    return NSS_STATUS_SUCCESS;
}

MJAW_EXPORT nss_status _nss_mjaw_init()
{
    mjaw_log0(__FILE__, __LINE__, __func__, "end");
    return NSS_STATUS_SUCCESS;
}

endpwent

这个接口的含义是系统通知NSS模块清理内存，结束了。

/**
 * @brief clean data list cache
 *
 * @return MJAW_EXPORT
 */
MJAW_EXPORT nss_status _nss_mjaw_endpwent()
{
    mjaw_log0(__FILE__, __LINE__, __func__, "enter");
    if (head_passwd && passwd_size(head_passwd) > 0)
        passwd_free(head_passwd);
    return NSS_STATUS_SUCCESS;
}

### getpwent
这个接口一般紧接着setpwent调用，用于获取账号的详细信息。此接口返回NSS_NOT_FOUND后系统会立即调用endpwent接口。
/**
 * @brief iterator data list
 *
 * @param __resultbuf
 * @return MJAW_EXPORT
 */
MJAW_EXPORT nss_status _nss_mjaw_getpwent_r(struct passwd *resultbuf, char *buffer, size_t buflen, int *errop)
{
    if (!head_passwd)
        return NSS_STATUS_NOTFOUND;
    // memset(buffer, 0, buflen);
    passwd_t user = passwd_at(head_passwd, i_record_index);
    i_record_index++;
    if (user == NULL) {
        return NSS_STATUS_NOTFOUND;
    }
    mjaw_logv(__FILE__, __LINE__, __func__, "enter. uid: %d, cursor: %d", user->pw_uid, i_record_index);
    passwd_copy(user, resultbuf);
    *errop = 0;
    return NSS_STATUS_SUCCESS;
}

getpwuid

此接口在用户鉴权时调用，调用频率远高于getpwnam。用户进入桌面后每次鉴权都会调用这个接口，即使用户选择使用其它账号鉴权，此接口也先于getpwnam调用。

MJAW_EXPORT nss_status _nss_mjaw_getpwuid_r(uid_t uid, struct passwd *result, char *buffer, size_t buflen, int *errop)
{
    mjaw_log0(__FILE__, __LINE__, __func__, "enter");
    if (!head_passwd) {
        head_passwd = passwd_create();
        passwd_init(head_passwd);
    }
    //打开系统日志
    // openlog("nss_cw", LOG_CONS | LOG_PID | LOG_NDELAY, LOG_LOCAL1);
    //buffer重置为空
    memset(buffer, 0, buflen);
    //result结构体本身的内存由调用者传入
    if (!result) {
        mjaw_log0(__FILE__, __LINE__, __func__, " result can not be empty.");
        return NSS_STATUS_NOTFOUND;
    }

    //输出开始处理的日志
    mjaw_logv(__FILE__, __LINE__, __func__, "begin original uid: %d, result buffer uid: %d, gid: %d", uid, result->pw_uid, result->pw_gid);

    //获取web对用户id和组id的定义
    bool bok = passwd_find_username_by_id(head_passwd, uid);
    if (!bok) {
        passwd_free(head_passwd);
        return NSS_STATUS_NOTFOUND;
    }
    passwd_copy(result, result);
    //输出完成处理的日志
    mjaw_logv(__FILE__, __LINE__, __func__, "end original uid: %d, result buffer uid: %d, gid: %d", uid, result->pw_uid, result->pw_gid);

    //按约定返回0（非零被su判定用户不存在）
    *errop = 0;
    passwd_free(head_passwd);
    //关闭系统日志
    // closelog();
    return NSS_STATUS_SUCCESS;
}

调试

因NSS模块很接近系统内核底层，稍有不慎，开机或者重启，系统黑屏变成了这样：
在这里插入图片描述

原因是Linux系统内核的1号进程崩溃了。有关Linux 1号进程的资料可查阅：https://man7.org/linux/man-pages/man1/init.1.html。因为root这个字符串与uid为0的这个系统用户身份没对应上，程序的上下文环境没有相应的权限，功能自然无法正常运转，虽然给人的感觉已经是root身份。但开发过程中总是有所难免，因此有些必要的调试设置在这里说明一下。

  1. 开始调试前多打开几个终端并登录开
    如果环境已被NSS破坏，可直接在这个终端上操作。但记住不要切换用户，这些操作都会失败。也不会已经损坏的时候才开终端，因为这个时候大部分图形程序都已经无法启动了。
  2. 修改grub引导选项
    这里建议修改/boot/grub/grub.cfg，在所有的linux命令行后面加上参数systemd.debug_shell=1。这样还可以直接切换到TTY9，免登录。

其它事项

如何伪造信息登录桌面

调用useradd增加一个同名本地用户，设置密码与否都不重要，PAM模块可以无视本地存储的密码，只要让系统的验证流程进入到自行开发的的PAM模块，在PAM中对帐号进行认证即可。PAM允许开发者自由操作，比如可以不验证登录凭据的正确性而直接进行进入系统。lightdm的自动登录就是这样实现的。

TTY登录成功，图形界面登录黑屏

图形界面涉及到NSS模块与FreeDesktop的AcountsService交互问题，此问题影响到LightDM并最终导致其崩溃。关于LightDM问题的处理，我将继续编写文章说明问题的根本原因以及解决办法。

参考文档

  1. https://docs.oracle.com/cd/E19683-01/806-4077/6jd6blbbb/index.html
  2. http://linux-pam.org/Linux-PAM-html/mwg-expected-of-module-auth.html
  3. https://www.openmjaw.org/doc/admin24/quickstart.html
  4. https://tools.ietf.org/html/rfc4511
  5. http://stefanfrings.de/qtwebapp/index-en.html
  6. https://docs.microsoft.com/en-us/previous-versions/windows/desktop/mjaw/lightweight-directory-access-protocol-mjaw-api
作者：岬淢箫声
日期：2020年12月15日
版本：1.0
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