使用.NET 6开发TodoList应用(25)——实现RefreshToken

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需求

在上一篇文章使用.NET 6开发TodoList应用(24)——实现基于JWT的Identity功能中，我们演示了如何使用.NET框架的Identity组件实现基于JWT Token的认证和授权功能。我们可以想象一下场景：当获取到的Token过期以后，我们必须要重新请求认证接口以获取新的Token，在实际的应用中，表现出来就是虽然当前用户一直在进行业务的操作，但是到了一个固定的时间点后，就会要求用户重新登陆一次来获取新Token，这对用户的体验是非常不友好的。所以我们引出了本文将要介绍的Refresh Token的概念。

那么我们为什么一定需要一个Refresh Token而不是将Token的过期时间设置的长一点呢？最主要的原因是如果这个长期的Token一旦被暴露，那么即使我们修改登录密码，也无法阻止已经被暴露的Token被用来访问我们受保护的API资源，只能等到这个Token自己过期。所以我们希望设置一个短时间有效的Token，当客户端Token失效后，服务端将会返回一个Token过期的响应，那么此时客户端就可以携带这个已过期的Token和服务器之前签发的一次性的Refresh Token去服务端换取一个新的Token和一个新的一次性Refresh Token。客户端就可以在不需要重新登陆的情况下携带这个新的Token去访问后端资源，同时也将Token暴露的影响降低了。

目标

为TodoList实现Refresh Token功能。

原理与思路

为了实现Refresh Token功能，我们需要做这几件事：

1. 在用户请求Token时同时创建一个Refresh Token返回给客户端；
2. 修改认证服务，使其能够从已过期的Token中获取用户的Principal数据；
3. 创建一个refresh token的API接口用于响应客户端的获取新Token的逻辑。

实现

使ApplicationUser支持RefreshToken

• ApplicationUser.cs

using Microsoft.AspNetCore.Identity;

namespace TodoList.Infrastructure.Identity;

public class ApplicationUser : IdentityUser
{
    public string? RefreshToken { get; set; }
    public DateTime RefreshTokenExpiryTime { get; set; }
}

运行Migration使修改生效。

修改CreateToken签名使其同时返回Refresh Token

新建创建Token返回的响应体对象ApplicationToken：

• ApplicationToken.cs

namespace TodoList.Application.Common.Models;

public record ApplicationToken(string AccessToken, string RefreshToken);

修改接口定义

Task<ApplicationToken> CreateTokenAsync(bool populateExpiry);

并对应修改实现：

• IdentityService.cs

public async Task<ApplicationToken> CreateTokenAsync(bool populateExpiry)
{
    var signingCredentials = GetSigningCredentials();
    var claims = await GetClaims();
    var tokenOptions = GenerateTokenOptions(signingCredentials, claims);
    var refreshToken = GenerateRefreshToken();

    User!.RefreshToken = refreshToken;
    if(populateExpiry)
        User!.RefreshTokenExpiryTime = DateTime.Now.AddDays(7);
    await _userManager.UpdateAsync(User);

    var accessToken = new JwtSecurityTokenHandler().WriteToken(tokenOptions);

    return new ApplicationToken(accessToken, refreshToken);
}
private string GenerateRefreshToken()
{
    // 创建一个随机的Token用做Refresh Token
    var randomNumber = new byte[32];

    using var rng = RandomNumberGenerator.Create();
    rng.GetBytes(randomNumber);

    return Convert.ToBase64String(randomNumber);
}

修改login方法

• AuthenticationController.cs

[HttpPost("login")]
public async Task<IActionResult> Authenticate([FromBody] UserForAuthentication userForAuthentication)
{
    if (!await _identityService.ValidateUserAsync(userForAuthentication))
    {
        return Unauthorized();
    }

    var token = await _identityService.CreateTokenAsync(true);
    return Ok(token);
}

到目前为止，我们已经为应用程序添加了Refresh Token所需要的一些基础功能了，接下来就需要实现一个refresh token接口用于换取新的Token

实现refresh token接口

我们新建一个Action用于refresh token接口。

• AuthenticationController.cs

[HttpPost("refresh")]
public async Task<IActionResult> Refresh([FromBody] ApplicationToken token)
{
    var tokenToReturn = await _identityService.RefreshTokenAsync(token);
    return Ok(tokenToReturn);
}

实现refresh token功能

我们在认证服务中添加Controller中调用的方法

• IIdentityService.cs

Task<ApplicationToken> RefreshTokenAsync(ApplicationToken token);

并实现接口方法：

• IdentityService.cs

// 省略其他...
public async Task<ApplicationToken> RefreshTokenAsync(ApplicationToken token)
{
    var principal = GetPrincipalFromExpiredToken(token.AccessToken);

    var user = await _userManager.FindByNameAsync(principal.Identity?.Name);
    if (user == null || user.RefreshToken != token.RefreshToken || user.RefreshTokenExpiryTime <= DateTime.Now)
    {
        throw new BadHttpRequestException("provided token has some invalid value");
    }

    User = user;
    return await CreateTokenAsync(true);
}

private ClaimsPrincipal GetPrincipalFromExpiredToken(string token)
{
    // 根据已过期的Token获取用户相关的Principal数据，用来生成新的Token
    var jwtSettings = _configuration.GetSection("JwtSettings");
    var tokenValidationParameters = new TokenValidationParameters {
        ValidateAudience = true,
        ValidateIssuer = true,
        ValidateIssuerSigningKey = true,
        IssuerSigningKey = new SymmetricSecurityKey(Encoding.UTF8.GetBytes(Environment.GetEnvironmentVariable("SECRET") ?? "TodoListApiSecretKey")), ValidateLifetime = true,
        ValidIssuer = jwtSettings["validIssuer"],
        ValidAudience = jwtSettings["validAudience"]
    };

    var tokenHandler = new JwtSecurityTokenHandler();
    var principal = tokenHandler.ValidateToken(token, tokenValidationParameters, out var securityToken);
    if (securityToken is not JwtSecurityToken jwtSecurityToken || 
        !jwtSecurityToken.Header.Alg.Equals(SecurityAlgorithms.HmacSha256, StringComparison.InvariantCultureIgnoreCase))
    {
        throw new SecurityTokenException("Invalid token");
    }

    return principal;
}

接下来我们就可以验证refresh token的功能了。

验证

启动Api项目，首先我们获取Token：

可以看到同时返回了refresh token。

然后我们请求refresh token接口：

获取到了一个新的Access Token和一个新的refresh token。

接下来使用新获取到的access token去请求创建TodoList：

可以看到新的access token是可以用来作为认证和授权的凭证请求接口的。

总结

在本文中我们实现了关于refresh token的功能，在实际应用中，客户端程序可能需要根据原始Token中payload里的exp字段去判断是否将要过期，提前请求refresh token，以实现用户无感知的持续携带有效的token去请求后端API资源。