OAuth 2.0 扩展协议之 PKCE

前言

阅读本文前需要了解 OAuth 2.0 授权协议的相关内容，可以参考我的上一篇文章 OAuth 2.0 的探险之旅。

PKCE 全称是 Proof Key for Code Exchange，在2015年发布，它是 OAuth 2.0 核心的一个扩展协议，所以可以和现有的授权模式结合使用，比如 Authorization Code + PKCE，这也是最佳实践，PKCE 最初是为移动设备应用和本地应用创建的，主要是为了减少公共客户端的授权码拦截攻击。

在最新的 OAuth 2.1 规范中(草案)，推荐所有客户端都使用 PKCE，而不仅仅是公共客户端，并且移除了 Implicit 隐式和 Password 模式，那之前使用这两种模式的客户端怎么办? 是的，您现在都可以尝试使用 Authorization Code + PKCE 的授权模式。那 PKCE 为什么有这种魔力呢? 实际上它的原理是客户端提供一个自创建的证明给授权服务器，授权服务器通过它来验证客户端，把访问令牌(access_token) 颁发给真实的客户端而不是伪造的。

客户端类型

上面说到了 PKCE 主要是为了减少公共客户端的授权码拦截攻击，那就有必要介绍下两种客户端类型了。

OAuth 2.0 核心规范定义了两种客户端类型， confidential 机密的，和 public 公开的，区分这两种类型的方法是，判断这个客户端是否有能力维护自己的机密性凭据 client_secret。

confidential
对于一个普通的web站点来说，虽然用户可以访问到前端页面，但是数据都来自服务器的后端api服务，前端只是获取授权码code，通过 code 换取access_token 这一步是在后端的api完成的，由于是内部的服务器，客户端有能力维护密码或者密钥信息，这种是机密的的客户端。
public
客户端本身没有能力保存密钥信息，比如桌面软件，手机App，单页面程序(SPA)，因为这些应用是发布出去的，实际上也就没有安全可言，恶意攻击者可以通过反编译等手段查看到客户端的密钥，这种是公开的客户端。

在 OAuth 2.0 授权码模式（Authorization Code）中，客户端通过授权码code向授权服务器获取访问令牌(access_token) 时，同时还需要在请求中携带客户端密钥(client_secret)，授权服务器对其进行验证，保证 access_token 颁发给了合法的客户端，对于公开的客户端来说，本身就有密钥泄露的风险，所以就不能使用常规 OAuth 2.0 的授权码模式，于是就针对这种不能使用 client_secret 的场景，衍生出了 Implicit 隐式模式，这种模式从一开始就是不安全的。在经过一段时间之后， PKCE 扩展协议推出，就是为了解决公开客户端的授权安全问题。

授权码拦截攻击

上面是OAuth 2.0 授权码模式的完整流程，授权码拦截攻击就是图中的C步骤发生的，也就是授权服务器返回给客户端授权码的时候，这么多步骤中为什么 C 步骤是不安全的呢? 在 OAuth 2.0 核心规范中，要求授权服务器的 anthorize endpoint 和 token endpoint 必须使用 TLS（安全传输层协议）保护，但是授权服务器携带授权码code返回到客户端的回调地址时，有可能不受TLS 的保护，恶意程序就可以在这个过程中拦截授权码code，拿到 code 之后，接下来就是通过 code 向授权服务器换取访问令牌 access_token ，对于机密的客户端来说，请求 access_token 时需要携带客户端的密钥 client_secret ，而密钥保存在后端服务器上，所以恶意程序通过拦截拿到授权码code 也没有用，而对于公开的客户端（手机App，桌面应用）来说，本身没有能力保护 client_secret，因为可以通过反编译等手段，拿到客户端 client_secret，也就可以通过授权码 code 换取 access_token，到这一步，恶意应用就可以拿着 token 请求资源服务器了。

state 参数，在 OAuth 2.0 核心协议中，通过 code 换取 token 步骤中，推荐使用 state 参数，把请求和响应关联起来，可以防止跨站点请求伪造-CSRF攻击，但是 state 并不能防止上面的授权码拦截攻击，因为请求和响应并没有被伪造，而是响应的授权码被恶意程序拦截。

PKCE 协议流程

PKCE 协议本身是对 OAuth 2.0 的扩展，它和之前的授权码流程大体上是一致的，区别在于，在向授权服务器的 authorize endpoint 请求时，需要额外的 code_challenge 和 code_challenge_method 参数，向 token endpoint 请求时，需要额外的 code_verifier 参数，最后授权服务器会对这三个参数进行对比验证，通过后颁发令牌。

code_verifier

对于每一个OAuth 授权请求，客户端会先创建一个代码验证器 code_verifier，这是一个高熵加密的随机字符串，使用URI 非保留字符 (Unreserved characters)，范围 [A-Z] / [a-z] / [0-9] / "-" / "." / "_" / "~"，因为非保留字符在传递时不需要进行 URL 编码，并且 code_verifier 的长度最小是 43，最大是 128， code_verifier 要具有足够的熵它是难以猜测的。

code_verifier 的扩充巴科斯范式 (ABNF) 如下:

code-verifier = 43*128unreserved
unreserved = ALPHA / DIGIT / "-" / "." / "_" / "~"
ALPHA = %x41-5A / %x61-7A
DIGIT = %x30-39

简单点说就是在 [A-Z] / [a-z] / [0-9] / "-" / "." / "_" / "~" 范围内，生成43-128位的随机字符串。

javascript 示例

// Required: Node.js crypto module
// https://nodejs.org/api/crypto.html#crypto_crypto
function base64URLEncode(str) {
    return str.toString('base64')
        .replace(/\+/g， '-')
        .replace(/\//g， '_')
        .replace(/=/g， '');
}
var verifier = base64URLEncode(crypto.randomBytes(32));

java 示例

// Required: Apache Commons Codec
// https://commons.apache.org/proper/commons-codec/
// Import the Base64 class.
// import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
SecureRandom sr = new SecureRandom();
byte[] code = new byte[32];
sr.nextBytes(code);
String verifier = Base64.getUrlEncoder().withoutPadding().encodeToString(code);

c# 示例


public static string randomDataBase64url(int length)
{
    RNGCryptoServiceProvider rng = new RNGCryptoServiceProvider();
    byte[] bytes = new byte[length];
    rng.GetBytes(bytes);
    return base64urlencodeNoPadding(bytes);
}

public static string base64urlencodeNoPadding(byte[] buffer)
{
    string base64 = Convert.ToBase64String(buffer);
    base64 = base64.Replace("+"， "-");
    base64 = base64.Replace("/"， "_");
    base64 = base64.Replace("="， "");
    return base64;
}

string code_verifier = randomDataBase64url(32);

code_challenge_method

对 code_verifier 进行转换的方法，这个参数会传给授权服务器，并且授权服务器会记住这个参数，颁发令牌的时候进行对比， code_challenge == code_challenge_method(code_verifier) ，若一致则颁发令牌。

code_challenge_method 可以设置为 plain (原始值) 或者 S256 (sha256哈希)。

code_challenge

使用 code_challenge_method 对 code_verifier 进行转换得到 code_challenge，可以使用下面的方式进行转换

plain
code_challenge = code_verifier
S256
code_challenge = BASE64URL-ENCODE(SHA256(ASCII(code_verifier)))

客户端应该首先考虑使用 S256 进行转换，如果不支持，才使用 plain ，此时 code_challenge 和 code_verifier 的值相等。

javascript 示例

// Required: Node.js crypto module
// https://nodejs.org/api/crypto.html#crypto_crypto
function sha256(buffer) {
    return crypto.createHash('sha256').update(buffer).digest();
}
var challenge = base64URLEncode(sha256(verifier));

java 示例

// Dependency: Apache Commons Codec
// https://commons.apache.org/proper/commons-codec/
// Import the Base64 class.
// import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
byte[] bytes = verifier.getBytes("US-ASCII");
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
md.update(bytes， 0， bytes.length);
byte[] digest = md.digest();
String challenge = Base64.encodeBase64URLSafeString(digest);

C# 示例

public static string base64urlencodeNoPadding(byte[] buffer)
{
    string base64 = Convert.ToBase64String(buffer);
    base64 = base64.Replace("+"， "-");
    base64 = base64.Replace("/"， "_");
    base64 = base64.Replace("="， "");
    return base64;
}

string code_challenge = base64urlencodeNoPadding(sha256(code_verifier));

原理分析

上面我们说了授权码拦截攻击，它是指在整个授权流程中，只需要拦截到从授权服务器回调给客户端的授权码 code，就可以去授权服务器申请令牌了，因为客户端是公开的，就算有密钥 client_secret 也是形同虚设，恶意程序拿到访问令牌后，就可以光明正大的请求资源服务器了。

PKCE 是怎么做的呢? 既然固定的 client_secret 是不安全的，那就每次请求生成一个随机的密钥（code_verifier），第一次请求到授权服务器的 authorize endpoint时，携带 code_challenge 和 code_challenge_method，也就是 code_verifier 转换后的值和转换方法，然后授权服务器需要把这两个参数缓存起来，第二次请求到 token endpoint 时，携带生成的随机密钥的原始值 (code_verifier) ，然后授权服务器使用下面的方法进行验证:

plain
code_challenge = code_verifier
S256
code_challenge = BASE64URL-ENCODE(SHA256(ASCII(code_verifier)))

通过后才颁发令牌，那向授权服务器 authorize endpoint 和 token endpoint 发起的这两次请求，该如何关联起来呢? 通过授权码 code 即可，所以就算恶意程序拦截到了授权码 code，但是没有 code_verifier，也是不能获取访问令牌的，当然 PKCE 也可以用在机密（confidential）的客户端，那就是 client_secret + code_verifier 双重密钥了。

最后看一下请求参数的示例:

GET /oauth2/authorize 
https://www.authorization-server.com/oauth2/authorize?
response_type=code
&client_id=s6BhdRkqt3
&scope=user
&state=8b815ab1d177f5c8e 
&redirect_uri=https://www.client.com/callback
&code_challenge_method=S256 
&code_challenge=FWOeBX6Qw_krhUE2M0lOIH3jcxaZzfs5J4jtai5hOX4

POST /oauth2/token  
Authorization: Basic czZCaGRSa3F0MzpnWDFmQmF0M2JW
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded

https://www.authorization-server.com/oauth2/token?
grant_type=authorization_code
&code=d8c2afe6ecca004eb4bd7024
&redirect_uri=https://www.client.com/callback
&code_verifier=2D9RWc5iTdtejle7GTMzQ9Mg15InNmqk3GZL-Hg5Iz0

下边使用 Postman 演示了使用 PKCE 模式的授权过程