一、Web服务安全与WS-Security
毫无疑问，SOAP和XML Web服务在交互操作和标准上已经完全改变了电子商务领域的格局。
然而直到最近，在Web服务技术领域仍然存在着一些缺陷，那就是处理消息级别的安全、认证、加密、数字签名、路由和附件等问题的能力。为了解决这些安全问题，像IBM、Microsoft和Verisign这样的公司和组织正牵头合作制定统一的Web服务安全规范，以便利用它们原有的Web服务交互操作概念和商业模型，他们推出了WS-Security等规范。可以这么说，自从SOAP规范形成以后，WS-Security规范及其后续的工作可能是Web服务技术领域的一次最重要的进步。
随着WS-Security规范的定稿，各大软件厂商开始认真地考虑为其产品提供使用相同Web服务安全语言的接口和编程工具箱，Web服务开发者也将能够使用这些厂商提供的工具加强他们所开发的Web服务的安全性。
二、WSE安全性能简介
Microsoft推出了Web Services Enhancements 1.0 for .NET（以下简称WSE），它是一个类库，用于实现高级 Web 服务协议，这也是该公司的第一个使用WS-Security等规范实现SOAP消息安全的工具套件。
保护Web服务安全的一个很重要的环节就是保护其SOAP消息传递的安全。
使用WSE后，SOAP消息可以自己验证其完整性，并可使用定义在WS-Security规范中的机制加密。
WSE1.0支持的所有WS-Security特性都是通过实现SecurityInputFilter和 SecurityOutputFilter对象的安全性输入输出过滤器实现的，它支持的安全特性有：
1. 数字签名
2. 加密
3. 使用用户名令牌签名并加密
4. 使用X.509证书签名并加密
5. 使用自定义二进制令牌签名并加密
WSE1.0不支持Security Assertion Markup Language（SAML，安全声明标注语言），但Microsoft公司正积极在其.NET Server中实现SAML体系结构。当然，开发者自己可以自由的实现SAML。唯一的不足是还不能使用WSDL描述遵循WS-Security规范的Web服务的WS-Security接口。
WSE的体系结构模型基于处理入站和出站SOAP消息的过滤器管道。它是建立在已有的SOAPExtension类的基础上的，有使用过SOAPExtension类行进压缩、加密、记录和其它操作经验的开发者会发现他们对WSE其实很熟悉。
WSE提供了一个Microsoft.Web.Services.SoapContext类，让我们可以处理WS-Security SOAP头和其它入站的SOAP消息头，同时可为出站的SOAP消息添加WS-Security头。WSE还有一个包装类为SOAP请求和响应添加SOAPContext（与HttpContext类似），同时服务器使用一个SOAPExtension类“Microsoft.Web.Services.WebServicesExtension”，让我们可以验证入站的SOAP消息，还提供了我们可从我们的WebMethod中访问的请求和响应SoapContext。
学习使用WSE最大的障碍在于有时很难理解Microsoft的技术文档和相关文章，即使对于那些有丰富经验的高级开发人员来说也是如此，并且关于这方面的文章很少。在本文中，我将给出一个简单的例子，介绍如何使用WSE实现基本的用户名令牌的验证过程，以保证Web服务的安全。
三、设置WSE环境
为了设置基本的WSE环境，我们需要配置ASP.NET应用程序，使其能够使用WSE SOAPExtension。最简单的方法是把所需的/configuration/system.web/webServices/soapExtensionTypes/Add元素添加到你的Web服务虚拟目录中的web.config里，如下所示：
＜webServices＞
＜soapExtensionTypes＞
＜add type="Microsoft.Web.Services.WebServicesExtension, Microsoft.Web.Services, Version=1.0.0.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=31bf3856ad364e35" priority="1" group="0" /＞
＜/soapExtensionTypes＞
＜/webServices＞
注意type属性必须写在一行中，但是在文中考虑到篇幅的问题需要把它分为几行，所以请读者多加注意。而且要注意，在开始使用WSE之前，我们必须在工程中加入对Microsoft.Web.Services.dll的引用。
四、基本的用户名令牌认证
在我们数字签名SOAP消息之前，必须先弄清楚谁正在签名。因此，我们将探讨一下用户名令牌（UsernameToken）的概念，同时了解WSE如何允许我们验证用户名令牌。
为了在Web服务中使用WSE验证用户名/密码，我们需要知道WSE在这方面为我们提供了什么？WS-Security定义了一个UsernameToken元素，它提供了基本用户名/密码验证的方法。如果你有使用HTTP的经验，那么你会发现UsernameToken与Basic Authentication非常类似。有三种用户名令牌，但是通常情况下我们只对最后两种最感兴趣：
＜!--明文密码--＞
＜UsernameToken＞
＜Username＞user1＜/Username＞
＜Password Type="wsse:PasswordText"＞suangywang＜/Password＞
＜/UsernameToken＞
这种方法使用明文密码。我们不难想象，在服务器上将进行核对数据库，验证用户名与密码，看是否有匹配的用户名/密码对这一系列验证操作。
＜!--密码摘要--＞
＜UsernameToken＞
＜Username＞user1＜/Username＞
＜Password Type="wsse:PasswordDigest"＞
QSMAKo67+vzYnU9TcMSqOFXy14U=
＜/Password＞
＜/UsernameToken＞
这种方法发送一个密码摘要(digest)代替明文密码。使用密码摘要，密码就不会通过网络发送，这样黑客就不太可能算出Web服务的密码。密码摘要是用散列函数计算的。这个过程只是单向的，意味着将函数反向并找到对应于摘要的消息是不可能的，因为该过程以这样一种方式实现，所以找到散列到同一摘要的两条不同密码在计算上难以实现。但是黑客可以发送散列密码，然后冒充原始发送人被验证。为了避免这个问题，Web Services Security Addendum（Web服务安全补遗）已经增加一个辅助的保护措施。补遗中规定必须发送密码的摘要版本，而不仅仅发送散列密码。这个摘要信息包含一个密码散列，标识请求的唯一的Nonce和创建时间。因此绝对不会出现相同的两个密码散列。如下所示是修正后的用户名令牌UsernameToken。
＜!--修正后的用户名令牌--＞
＜wsse:UsernameToken
xmlns:wsu="http://schemas.xmlsoap.org/ws/2002/07/utility"
wsu:Id="SecurityToken-59845323-5dcb-4a6b-a7fb-94a0d7357a20"＞
＜wsse:Username＞User1＜/wsse:Username＞
＜wsse:Password Type="wsse:PasswordDigest"＞
gpBDXjx79eutcXdtlULIlcrSiRs=
＜/wsse:Password＞
＜wsse:Nonce＞
h52sI9pKV0BVRPUolQC7Cg==
＜/wsse:Nonce＞
＜wsu:Created＞2003-6-20T21:16:50Z＜/wsu:Created＞
＜/wsse:UsernameToken＞
虽然每个合法请求都有一个不同的散列，但是你也必须防止恶意用户把其他用户的合法请求中的整个UsernameToken拿出放入自己的非法请求中。你可以使用Timestamp（时间戳标头）来最小化这种危险。时间戳标头用来表示消息的创建时间和过期时间，指明消息的周期以及何时可以认为该消息失效。 例如，你可能想指定消息在40秒以后失效，并且超过40秒服务器就不会接收UsernameToken。但是机器之间的时钟同步问题可能会造成有效的请求被拒绝的情况。所以使用时间戳也并不是一个尽善尽美的解决方法。为了解决这个问题，Web服务可以保存一张最近收到的UsernameToken的Nonce值的表，如果收到的一个请求的Nonce值已经被使用了，那么就绝对不会接受这个请求。如果你接收几个使用相同Nonce的请求，那么你要考虑把这几条请求全部丢弃，因为很有可能先到的请求是非法请求。还要了解到Nonce核对技术并不能防止恶意用户截获合法的输入信息，并把原始信息中的UsernameToken加入自己的消息，然后发送到目的地。这时就需要为消息添加数字签名或安全证书，以保护其不受攻击。数字签名和安全证书的相关知识在本文中不会涉及，请读者查阅相应文献。
所有的散列保护都需要消息发送端和接收端知道用户的密码。在客户端，人们期望系统能够提示用户输入密码。而在服务器端，需要保存带有有效用户名/密码对的表，以供系统查找。我们下面将介绍WSE如何使用一个Password Provider（密码提供者）机制来解决这两个问题。
五、IPasswordProvider接口
WSE定义了一个Microsoft.Web.Services.Security.IPasswordProvider接口类，我们必须实现这个类来注册一个密码提供者。这个接口有一个方法GetPassword，它接收一个Microsoft.Web.Services.Security.UsernameToken作为输入参数，该方法返回指定用户的密码。其思想是你可以使用任何你想用的机制保存有效的用户名/密码对，然后提供了一个实现IPasswordProvider接口的类，来让WSE访问你的特定密码存储机制。你甚至可以执行你自己的UsernameToken的摘要（Digest）和散列（Hash）的组合，甚至使用一个共享的密码，以进一步控制你的认证基础结构。
为了把你特定的Password Provider（密码提供者）告诉WSE，你必须配置合适的WSE设置。首先要添加一个Microsoft.Web.Services元素到应用程序的配置文件中的配置元素中。还要指定可以读懂特定配置信息的WSE类。可以把下面的configSections添加到机器上的Machine.config或单独的Web.config中。
＜configSections＞
＜section name="microsoft.web.services"
type="Microsoft.Web.Services.Configuration.WebServicesConfiguration,
Microsoft.Web.Services, Version=1.0.0.0, Culture=neutral,
PublicKeyToken=31bf3856ad364e35" /＞
＜/configSections＞
在本例中，我们将使用Northwind数据库Employees表的一个修改版本来进行查询任务。因为PasswordProvider接口需要返回一个与UsernameToken对象的密码部分匹配的实际密码，所以通常，我们只需要使用WSE加密我们的用户名和密码，然后再通过网络传送给Web服务。
如果你在Solution Explorer中选中你的工程并在其上点击右键，你将看到在底部增加了一个新的菜单“WSE Settings”，你可以在其中设置所有重要的配置和其它使用WSE的配置：
这可让我们很容易的设置Password Provider Implementation（密码提供者实现）元素，Decryption Key Provider Implementation（解密钥提供者）元素，X.509 Certificate（X.509 证书）设置，甚至是我们希望使用的Binary Security Tokens（二进制安全令牌）。此外，其他的选项卡还可以配置用于WSE管道的输入输出过滤器，配置路由，启动诊断功能等等。虽然它不能做我们想做的每件事，但这是WSE易用化的一个良好的开端。
PasswordProvider安全元素是web.config中的＜configuration＞父元素的一个子元素，它告诉WSE你使用哪个类来实现PasswordProvider接口：
＜microsoft.web.services＞
＜security＞
＜!-- NAMESPACE . CLASSNAME , ASSEMBLYNAME --＞
＜passwordProvider type="WSESecurity.WSEPasswordProvider, WSESecurity" /＞
＜/security＞
＜/microsoft.web.services＞
让我们看看在本例中如何实现它：
namespace WSESecurity
{
public class WSEPasswordProvider : IPasswordProvider
{
public string GetPassword(UsernameToken token)
{
try
{
SqlConnection cn = new SqlConnection(System.Configuration.ConfigurationSettings.AppSettings["SqlConn"].ToString());
cn.Open();
SqlCommand cmd = new SqlCommand("SELECT Username, password from Employees where username ='" + token.Username + "'",cn);
SqlDataReader dr = cmd.ExecuteReader(CommandBehavior.CloseConnection);
dr.Read();
return dr["password"].ToString();
}
catch(Exception ex)
{
throw new Exception (ex.Message);
}
}
}
}
上面我们给出的代码可以完全实现IPasswordProvider接口，通过用户名/密码来验证一个用户，当然了，还可以把它做得更复杂一些，这请读者们自己去完成。实际上，我们在编程的过程中基本没有写太多用户验证的代码，大部分工作都由WSE暗中处理了。
六、编写一个使用WS-Security的WebMethod
现在我们需要创建一个使用WS-Security的WebMethod。 这里，我实现了一个简单的方法，它运行Northwind数据库的CustOrderHist存储过程，接收一个字串UserID作为唯一的参数，并返回一个DataSet。如果调用Web服务的客户端可以通过消息级UsernameToken验证，那么就可以取回DataSet。如果不能通过验证的话，客户端将得到一个异常，告知它不能通过验证。WSE的优点在于你只要付出一点点劳动就可以了，大部分的工作已经由WSE在暗中为你完成了，所以你可以把大部分时间花费在构建Web服务的内容上，而不是为了构建一个安全的Web服务机制而疲于奔命。
[WebMethod]
public DataSet CustOrderHist(string CustId)
{
// 只接受 SOAP格式的请求
SoapContext requestContext = HttpSoapContext.RequestContext;
if(requestContext==null)
{
throw new ApplicationException("Non-SOAP request!");
}
bool valid=false;
try
{
foreach(SecurityToken tkn in requestContext.Security.Tokens)
{
if(tkn is UsernameToken)
valid=true;
}
}
catch(Exception ex)
{
throw new Exception( ex.Message + ": " + ex.InnerException.Message);
}
if (valid==false)
throw new ApplicationException("Invalid or Missing Security Token.");
SqlConnection cn;
SqlDataAdapter da;
DataSet ds;
cn = new SqlConnection(System.Configuration.ConfigurationSettings.AppSettings["SqlConn"].ToString());
cn.Open();
da = new SqlDataAdapter("custorderHist '" +CustId + "'", cn);
ds = new DataSet();
da.Fill(ds, "CustOrderHist");
return ds;
}
使用上面的WebMethod，我们就可在服务器上实现验证用户名/密码的操作。WebMethod必须引用Microsoft.Web.Services和Microsoft.Web.Services.Security域名空间。现在，我们要构建一个ASP.NET客户端，这个客户端能够发送验证所需的SOAP头，并可调用我们的Web服务方法。
对于客户端，WSE提供了继承于System.Web.Services.Protocols.SoapHttpClientProtocol类的Microsoft.Web.Services.WebServicesClientProtocol类。当你在Visual Studio.NET中选择“Add Web Reference”选项的时候，或者使用WSDL.exe程序创建基于WSDL的客户端代码时，你需要使用SoapHttpClientProtocol类。你可做的就是使用Visual Studio.NET中的“Add Web Reference”选项或者WSDL.exe程序为你的客户端生成代理类，然后把代理类从继承于SoapHttpClientProtocol改为继承于WebServicesClientProtocol。这样代理类就有了RequestSoapContext和ResponseSoapContext属性，你可以使用它们访问你发送或接收的WS-Security头。在C#工程中，如果你已经使用了“Add Web Reference”选项，你可以点击Solution Explorer中的“Show All Files”按钮，点击这个按钮就可在Solution Explorer的Web References结点中显示Reference.cs文件，让你可以编辑这个文件。
为了创建正确的UsernameToken和在消息级调用Web服务的代理方法，需要使用下面的代码：
private void Button1_Click(object sender, System.EventArgs e)
{
localhost.SecurityServiceWse wse=new localhost.SecurityServiceWse();
UsernameToken tkn = new UsernameToken(txtUsername.Text,txtPassword.Text,PasswordOption.SendHashed);
wse.RequestSoapContext.Security.Tokens.Add (tkn);
try
{
DataSet ds=wse.CustOrderHist(txtCustID.Text);
DataGrid1.DataSource=ds;
DataGrid1.DataBind();
}
catch(Exception ex)
{
DataGrid1.Visible=false;
lblMessages.Text=ex.Message;
}
}
我们要做的就是从客户端的两个文本输入框txtUsername和txtPassword中取得输入字串，然后使用PasswordOption.SendHashed把它们结合起来创建一个有效的UserNameToken。当调用Web服务时，WSE SOAP扩展验证请求的一般格式，然后核对密码散列并从我们的PasswordProvider方法中取得的密码。如果两者匹配，我们就可调用Web服务方法，客户端返回数据集，显示在一个网格中。
我们现在已经创建了一个完整的使用WSE配合数据库验证SHA1摘要散列用户名/密码的Web服务，希望读者们能通过本文了解到使用WSE保证Web服务安全的基本措施和方法，并能在实际工作中合理的去应用。
在文章的最后，我们给出修改Northwind数据库Employees表的SQL脚本，给这个表添加了所需的username和password列，同时在这个表中插入了一条新纪录，其Firstname、Lastname、Username、Password和roles字段分别为“User”，“One”，“user1”，“pass1”和“user”。
USE NORTHWIND
GO
ALTER TABLE [dbo].
ADD [Username] [varchar] (100) COLLATE SQL_Latin1_General_CP1_CI_AS NULL ,
[Password] [varchar] (100) COLLATE SQL_Latin1_General_CP1_CI_AS NULL ,
[roles] [varchar] (250) COLLATE SQL_Latin1_General_CP1_CI_AS NULL
GO
INSERT INTO EMPLOYEES (Firstname, Lastname,Username, [Password], roles)
VALUES('User','One', 'user1', 'pass1', 'user')
GO
