【设计模式】RBAC 模型详解

前言

随着软件系统的复杂性和规模的不断增长，权限管理成为了一个至关重要的问题。

在大型多人协作的系统中，如何有效地管理不同用户的访问权限，确保系统的安全性和稳定性，是每一个开发者都需要面对的挑战。为了解决这一问题，业界提出了一种被广泛应用的权限管理模型——基于角色的访问控制（Role-Based Access Control，简称RBAC）。

希望通过本篇博客的学习，您能够深入了解RBAC模型的核心思想和实现原理，掌握如何在实际项目中应用RBAC模型来提高系统的安全性和可维护性。

同时，我们也希望您能够将RBAC模型的思想和方法应用到其他类似的场景中，为您的开发工作带来更多的便利和效率。

一、什么是 RBAC 呢？

RBAC 即基于角色的权限访问控制（Role-Based Access Control）。这是一种通过角色关联权限，角色同时又关联用户的授权方式。

简单地说：一个用户可以拥有若干角色，每一个角色又可以被分配若干权限，这样就构造成“用户-角色-权限”的授权模型。在这种模型中，用户与角色、角色与权限之间构成了多对多的关系。如下图：

RBAC的基本概念：

角色（Role）：角色是一组权限的集合，代表了在组织内执行特定任务或职责的用户群体。例如，“管理员”、“编辑”和“访客”等。
用户（User）：系统中的实际用户，他们被分配到一个或多个角色，从而获得相应的权限。
权限（Permission）：权限定义了用户可以对系统资源执行的操作，如“读取”、“写入”或“删除”等。
会话（Session）：用户通过身份验证后建立的与系统之间的连接，会话中用户的角色和权限将被激活。

RBAC的优势：

简化权限管理：通过角色分配权限，管理员无需为每个用户单独配置权限，降低了管理复杂度。
提高安全性：RBAC可以实施最小权限原则，即只授予用户完成任务所需的最小权限，从而降低潜在的安全风险。
支持灵活扩展：随着组织的发展和变化，可以轻松添加新的角色和权限，以满足不断变化的需求。
提高合规性：RBAC有助于满足许多法规和合规性要求，如GDPR、HIPAA等。

以下是一个简单的RBAC模型的代码示例，使用Python编写：

class User:  
    def __init__(self, name):  
        self.name = name  
        self.roles = []  
  
    def add_role(self, role):  
        self.roles.append(role)  
  
    def has_role(self, role):  
        return role in self.roles  
  
class Role:  
    def __init__(self, name):  
        self.name = name  
        self.permissions = []  
  
    def add_permission(self, permission):  
        self.permissions.append(permission)  
  
    def has_permission(self, permission):  
        return permission in self.permissions  
  
class RBAC:  
    def __init__(self):  
        self.users = {}  
        self.roles = {}  
  
    def register_user(self, user):  
        self.users[user.name] = user  
  
    def register_role(self, role):  
        self.roles[role.name] = role  
  
    def assign_role(self, user, role):  
        user.add_role(role)  
        role.add_user(user)  
  
    def check_permission(self, user, permission):  
        for role in user.roles:  
            if role.has_permission(permission):  
                return True  
        return False

在这个示例中，我们定义了三个类：User、Role和RBAC。

User类表示用户，具有添加和检查角色的方法。
Role类表示角色，具有添加和检查权限的方法。
RBAC类是权限管理的主要类，具有注册用户、注册角色、分配角色和检查权限的方法。

在check_permission方法中，我们遍历用户的所有角色，检查每个角色是否具有所需的权限，如果找到一个角色具有该权限，则返回True。

如果没有任何角色具有该权限，则返回False。

二、RBAC 的组成

在RBAC模型里面，有3个基础组成部分，分别是：用户、角色和权限。

RBAC通过定义角色的权限，并对用户授予某个角色从而来控制用户的权限，实现了用户和权限的逻辑分离（区别于ACL模型），极大地方便了权限的管理：

User（用户）：每个用户都有唯一的UID识别，并被授予不同的角色
Role（角色）：不同角色具有不同的权限
Permission（权限）：访问权限
用户-角色映射：用户和角色之间的映射关系
角色-权限映射：角色和权限之间的映射

它们之间的关系如下图所示：

三、RBAC 的优缺点

3.1 优点：

简化了用户和权限的关系
易扩展、易维护

3.2 缺点：

RBAC模型没有提供操作顺序的控制机制，这一缺陷使得RBAC模型很难适应哪些对操作次序有严格要求的系统

四、RBAC 的 3 种模型

4.1 RBAC0

RBAC0，是最简单、最原始的实现方式，也是其他RBAC模型的基础。

在该模型中，用户和角色之间可以是多对多的关系，即一个用户在不同场景下是可以有不同的角色，例如：项目经理也可能是组长也可能是架构师。同时每个角色都至少有一个权限。这种模型下，用户和权限被分离独立开来，使得权限的授权认证更加灵活。

4.2 RBAC1

基于RBAC0模型，引入了角色间的继承关系，即角色上有了上下级的区别。

角色间的继承关系可分为一般继承关系和受限继承关系。一般继承关系仅要求角色继承关系是一个绝对偏序关系，允许角色间的多继承。而受限继承关系则进一步要求角色继承关系是一个树结构，实现角色间的单继承。

这种模型适合于角色之间层次分明，可以给角色分组分层。

4.3 RBAC2

RBAC2，基于RBAC0模型的基础上，进行了角色的访问控制。

RBAC2中的一个基本限制是互斥角色的限制，互斥角色是指各自权限可以互相制约的两个角色。对于这类角色一个用户在某一次活动中只能被分配其中的一个角色，不能同时获得两个角色的使用权。

该模型有以下几种约束：

互斥角色：同一用户只能分配到一组互斥角色集合中至多一个角色，支持责任分离的原则。互斥角色是指各自权限互相制约的两个角色。对于这类角色一个用户在某一次活动中只能被分配其中的一个角色，不能同时获得两个角色的使用权。常举的例子：在审计活动中，一个角色不能同时被指派给会计角色和审计员角色。
基数约束：一个角色被分配的用户数量受限；一个用户可拥有的角色数目受限；同样一个角色对应的访问权限数目也应受限，以控制高级权限在系统中的分配。例如公司的领导人有限的；
先决条件角色：可以分配角色给用户仅当该用户已经是另一角色的成员；对应的可以分配访问权限给角色，仅当该角色已经拥有另一种访问权限。指要想获得较高的权限，要首先拥有低一级的权限。就像我们生活中，国家主席是从副主席中选举的一样。
运行时互斥：例如，允许一个用户具有两个角色的成员资格，但在运行中不可同时激活这两个角色。

五、总结

RBAC模型是一种灵活的、可扩展的权限管理方式，它将权限与角色相关联，而不是直接与用户相关联。

通过定义不同的角色，并为每个角色分配相应的权限，我们可以轻松地管理用户的访问权限。这种模型不仅简化了权限管理的复杂性，还提高了系统的可维护性和可扩展性。

在本篇博客中，我们将深入探讨RBAC模型的基本概念、特点、优势以及实现方式。我们将了解如何定义角色、分配权限以及实现角色的继承和层次结构。

同时，我们还将介绍RBAC模型在实际应用中的一些挑战和解决方案，以帮助您更好地理解和应用这一模型。