1 引言
身份认证是操作系统安全的重要机制之一，系统通过认证机制核查用户的身份证明，并作为用户进入系统的判定条件，是防止恶意用户进入系统的第一道门槛。近年来认证理论和技术得到了迅速发展，产生了各种认证机制，如口令机制，RSA, DCE, kerberos认证体制，S/Key和基于智能卡的身份认证等。然而，当系统中引入新的认证机制时，一些系统入口登录服务如login, rlogin和telnet等应用程序就必须改写以适应新的认证机制。为了解决这个问题，1995年Sun公司的Vipin Samar和 Charlie Lai提出了PAM(Pluggable Authentication Modules)，并将其应用在Solaris系统上。PAM框架将应用程序与具体的认证机制分离，使得系统改变认证机制时，不再需要修改采用认证机制的应用程序，而只要由管理员配置应用程序的认证服务模块，极大地提高了认证机制的通用性与灵活性。
现在大多数操作系统都采用PAM实现身份认证，有Linux系统的Linux-PAM和FreeBSD5.x采用的OpenPAM(FreeBSD 4.x采用的是Linux-PAM)等。它们的实现原理一样，只有实现细节不同而已。下面从PAM的应用开发开始介绍。
2 PAM的应用开发
2.1 PAM框架概览
PAM即可插拔认证模块。它提供了对所有服务进行认证的中央机制，适用于login，远程登录（telnet,rlogin,fsh,ftp,点对点协议（PPP）），su等应用程序中。系统管理员通过PAM配置文件来制定不同应用程序的不同认证策略；应用程序开发者通过在服务程序中使用PAM API(pam_xxxx( ))来实现对认证方法的调用；而PAM服务模块的开发者则利用PAM SPI来编写模块（主要是引出一些函数pam_sm_xxxx( )供PAM接口库调用），将不同的认证机制加入到系统中；PAM接口库（libpam）则读取配置文件，将应用程序和相应的PAM服务模块联系起来。PAM框架结构如图所示。
其中，pamh是一个pam_handle类型的结构，它是一个非常重要的处理句柄，是PAM与应用程序通信的唯一数据结构，也是调用PAM接口库API的唯一句柄。pam_handle数据结构将在下面的源代码分析一节的介绍。
另外，如上图所示的服务模块分auth（认证管理）、account（账号管理）、session（会话管理）、passwd（口令管理）四种类型，各个类型模块的作用以及配置文件的四个组成部分模块类型、控制标志、模块路径、模块参数等在很多讲PAM的配置管理的文章里都有介绍，这里就不再赘述了。
2.2 在应用程序中使用PAM认证
每个使用PAM认证的应用程序都以pam_start开始，pam_end结束。PAM还提供了pam_get_item和pam_set_item共享有关认证会话的某些公共信息，例如用户名，服务名，密码和会话函数。应用程序在调用了pam_start ()后也能够用这些APIs来改变状态信息。实际做认证工作的API函数有六个（以下将这六个函数简称为认证API）：
认证管理--包括pam_authenticate ()函数认证用户，pam_setcred ()设置，刷新，或销毁用户证书。
账号管理--包括pam_acc_mgmt ()检查认证的用户是否可以访问他们的账户，该函数可以实现口令有效期，访问时间限制等。
会话管理--包括pam_open_session ()和pam_close_session ()函数用来管理会话和记账。例如，系统可以存储会话的全部时间。
口令管理--包括pam_chauthok ()函数用来改变密码。
下面看一个简单的login模拟程序：
/* 使用PAM所必需的两个头文件*/
#include
#include
void main(int argc, char *argv[], char **renvp)
{
/* 初始化，并提供一个回调函数 */
if ((pam_start("login", user_name, &pam_conv, &pamh)) != PAM_SUCCESS)
exit(1);
/* 设置一些关于认证用户信息的参数 */
pam_set_item(pamh, PAM_TTY, ttyn);
pam_set_item(pamh, PAM_RHOST, remote_host);
while (!authenticated && retry
{
status = pam_authenticate(pamh, 0);/* 认证，检查用户输入的密码是否正确 */
}
/* 认证失败则应用程序退出*/
if (status != PAM_SUCCESS)
{
……
exit(1);
}
/*
通过了密码认证之后再调用帐号管理API，检查用户帐号是否已经过期 */
if ((status = pam_acct_mgmt(pamh, 0)) != PAM_SUCCESS)
{
if (status == PAM_AUTHTOK_EXPIRED)
{
status = pam_chauthtok(pamh, 0);
/* 过期则要求用户更改密码 */
if (status != PAM_SUCCESS)
exit(1);
}
}
/* 通过帐户管理检查之后则打开会话 */
if (status = pam_open_session(pamh, 0) != PAM_SUCCESS)
exit(status);
……
/* 建立认证服务的用户证书*/
status = pam_setcred(pamh, PAM_ESTABLISH_CRED);
if (status != PAM_SUCCESS)
exit(status);
……
pam_end(pamh, PAM_SUCCESS);
/* PAM事务的结束 */
……
}
从上面程序中，我们可以了解到使用PAM认证的一般流程，同时也可以看出PAM API使得使用认证的应用程序不仅不用关心底层使用的服务模块，而且编写起来简洁明了得多。
有关开发使用PAM的应用程序更加详细完整的阐述请参考The Linux-PAM Application Developers' Guide。
2.3 怎样开发PAM服务模块
首先在编写的服务模块的源程序里要包含下列头文件：
#include
PAM的服务模块是一个一个的动态链接库文件（也可以是静态库），PAM接口库通过dlopen来装载这些库。假设源程序名为pam_module-name.c，则需要用下列命令将其编译成动态链接库：
gcc -fPIC -c pam_module-name.c
ld -x --shared -o pam_module-name.so pam_module-name.o
选项-fPIC是指位置无关代码(Position Independent Code)，这类代码支持大偏移。使用--shared选项将目标代码放进共享目标库中。
四种类型的模块各自要实现的函数如下表所示：
当然同一个服务模块可以同时属于多种类型，只要这些类型模块要实现的函数都实现了就可以，比如PAM自带的经典口令认证机制模块pam_unix.so 就可以支持四种模块类型。
下面来看一个最简单的pam_deny模块的源程序pam_deny.c:
1.#define PAM_SM_AUTH
2.#define PAM_SM_ACCOUNT
3.#define PAM_SM_SESSION
4.#define PAM_SM_PASSWORD
5.#include "../../libpam/include/security/pam_modules.h"
6./* --- 认证管理函数的实现--- */
7.PAM_EXTERN int pam_sm_authenticate(pam_handle_t *pamh,int flags,int argc
8.,const char **argv)
9.{
10.return PAM_AUTH_ERR;
11.}
12.PAM_EXTERN int pam_sm_setcred(pam_handle_t *pamh,int flags,int argc
13.const char **argv)
14.{
15.return PAM_CRED_UNAVAIL;
16.}
17./* --- 账号管理函数的实现 --- */
18.PAM_EXTERN int pam_sm_acct_mgmt(pam_handle_t *pamh,int flags,int argc
19.,const char **argv)
20.{
21.return PAM_ACCT_EXPIRED;
22.}
23./* --- 口令管理函数的实现 --- */
24.PAM_EXTERN int pam_sm_chauthtok(pam_handle_t *pamh,int flags,int argc
25.const char **argv)
26.{
27.return PAM_AUTHTOK_ERR;
28.}
29./* --- 会话管理函数的实现 --- */
30.PAM_EXTERN int pam_sm_open_session(pam_handle_t *pamh,int flags,int argc
31.const char **argv)
32.{
33.return PAM_SYSTEM_ERR;
34.}
35.PAM_EXTERN int pam_sm_close_session(pam_handle_t *pamh,int flags,int argc
36.,const char **argv)
37.{
38.return PAM_SYSTEM_ERR;
39.}
40./* 模块定义结束 */
41./* 静态模块数据 */
42.#ifdef PAM_STATIC
43.struct pam_module _pam_deny_modstruct = {
44."pam_deny",
45.pam_sm_authenticate,
46.pam_sm_setcred,
47.pam_sm_acct_mgmt,
48.pam_sm_open_session,
49.pam_sm_close_session,
50.pam_sm_chauthtok
51.};
52.#endif
很容易看出，pam_deny模块支持四种模块类型。前4行包含静态模块的一些原型申明，第37-39行实现了四种模块类型的函数，因为这只是一个简单的拒绝服务的模块，所以这些函数只是简单地返回认证错或系统错等PAM错误。最后几行定义了该程序被编译成静态模块所需的一个模块数据结构。
因此，PAM SPI使得服务模块的开发也相当简单和专一，因为服务模块不再需要考虑和应用程序的交互，只要将自己采用的算法实现好就可以了。
模块源程序可用的flags参数值和返回值的定义这里不作全面介绍，有兴趣者请参考The Linux-PAM Module Writers' Guide。
3 PAM接口库源代码分析
上面我们介绍了怎样使用PAM和怎样开发PAM服务模块，要想对PAM的内部机制有个透彻的理解，还需要进一步分析PAM接口库的代码。下面基于Linux 的pam-0.75-40.src.rpm包所得的源
