设计安全的API-JWT与OAuthor2

最近新开发一个需要给App使用的API项目。开发API肯定会想到JASON Web Token（JWT）和OAuthor2（之前一篇随笔记录过OAuthor2）。

JWT和OAuthor2的比较

　　要像比较JWT和OAuthor2，首先要明白一点就是，这是两个完全不同的东西，没有可比性。

　　JWT是一种认证协议

　　　　官网：http://jwt.io

　　　　JWT提供了一种用于发布介入灵摆（Access Token），并对发布的签名介入令牌进行验证的方法。令牌（Token）本身包含了一系列声明，应用程序可以根据这些声明限制用户对资源的访问。

　　　　在新开发的API中，我选择的是使用JWT，稍后会简单介绍其在.net core中的使用。

　　OAuthor2是一种授权框架

　　　　OAuthor2是一种授权框架，提供了一套详细的授权机制（指导）。用户或应用可以通过公开的或私有的设置，授权第三方应用访问特定资源。

　　既然JWT和OAuthor2没有可比性，为什么还要把这两个放在一起说呢？实际中，会有很多人拿JWT和OAuthor2作比较，或者分不清楚。很多情况下，在讨论OAuthor2的实现时，会把JSON Web Token作为一种认证机制使用。这也是为什么他们会经常一起出现。

JSON Web Token（JWT）

　　JWT是一种安全标准。基本思路就是用户提供用户名和密码给认证服务器，服务器验证用户提交的信息的合法性，如果认证成功，会产生并返回一个Token（令牌），用户可以使用这个token访问服务器上受保护的资源。

一个token的例子：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJpZCI6IjEiLCJuYW1lIjoibGl1dGFvIiwicm9sZSI6InNob3BVc2VycyIsImh0dHA6Ly9zY2hlbWFzLm1pY3Jvc29mdC5jb20vd3MvMjAwOC8wNi9pZGVudGl0eS9jbGFpbXMvcm9sZSI6InNob3BVc2VycyIsImFjdCI6IjEiLCJuYmYiOjE1NzQyNTAyMTgsImV4cCI6MTU3NTExNDIxOCwiaXNzIjoiWXVZdWUiLCJhdWQiOiJZdVl1ZSJ9.t39iwO-r_YgX5-7XyIV-by2duHfThqTQayI595VtqF

一个token包含三个部分：

header.claims.signature

为了安全的在url中使用，所有部分都base64 URL-safe进行编码处理。

Header头部分

　　头部分简单声明了类型（JWT）以及产生签名所使用的的算法。

{
  "alg" : "AES256",
  "typ" : "JWT"
}

Claims声明

　　声明部分是整个token的核心，表示要发送的用户详细信息。游学情况下，我们和有可能要在一个服务器上实现认证，然后访问另一台服务器上的资源，或者，通过单独的接口来生成token，token被保存在应用程序客户端（比如浏览器）使用。

　　一个简单的声明（claim）的例子：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "admin": true
}

Signature签名

　　签名的目的是为了保证上边两部分信息不被篡改。如果尝试使用Bas64对解码后的token进行修改，签名信息就会失效。一般使用一个私钥（private key）通过特定算法对Header和Claims进行混淆产生签名信息，所以只有原始的token才能于签名信息匹配。
        这里有一个重要的实现细节。只有获取了私钥的应用程序（比如服务器端应用）才能完全认证token包含声明信息的合法性。所以，永远不要把私钥信息放在客户端（比如浏览器）。

OAuthor2是什么？

　　官网：http://oauth.net/2/

　　相反，OAuthor2不是一个标准协议，而是一个安全的授权框架，它详细描述了系统中不同角色、用户、服务前端应用（比如API），以及客户端（比如网站或移动APP）之间怎么实现相互认证。

OAuthor2的基本概念，可以去阅读之前的一片随笔。点击此处

使用HTTPS保护用户密码

　　在进一步讨论OAuthor2和JWT的实现之前，有必要说一下，两种方案都需要SSL安全保护，也就是对要传输的数据进行加密编码。安全地传输用户提供的私密信息，在任何一个安全的系统里都是必要的。否则任何人都可以通过侵入私人wifi，在用户登录的时候窃取用户的用户名和密码等信息。

JWT和OAuthor2应该如何选择

　　在做选择之前，参考一下下边提到的几点。

　　1、时间投入

　　　　OAuthor2是一个安全框架，描述了在各种不同场景下，多个应用之间的授权问题。有海量的资料需要学习，要完全理解需要花费大量时间。甚至对于一些有经验的开发工程师来说，也会需要大概一个月的时间来深入理解OAuth2。 这是个很大的时间投入。相反，JWT是一个相对轻量级的概念。可能花一天时间深入学习一下标准规范，就可以很容易地开始具体实施。

　　2、出现错误的风险

　　　　OAuth2不像JWT一样是一个严格的标准协议，因此在实施过程中更容易出错。尽管有很多现有的库，但是每个库的成熟度也不尽相同，同样很容易引入各种错误。在常用的库中也很容易发现一些安全漏洞。当然，如果有相当成熟、强大的开发团队来持续OAuth2实施和维护，可以一定成都上避免这些风险。

　　3、社交登录的好处

　　　　在很多情况下,使用用户在大型社交网站的已有账户来认证会方便。如果期望你的用户可以直接使用Facebook或者Gmail之类的账户,使用现有的库会方便得多。

JWT的使用场景

无状态的分布式API

　　JWT的主要优势在于使用无状态、可扩展的方式处理应用中的用户会话。服务端可以通过内嵌的声明信息，很容易地获取用户的会话信息，而不需要去访问用户或会话的数据库。在一个分布式的面向服务的框架中，这一点非常有用。但是，如果系统中需要使用黑名单实现长期有效的token刷新机制，这种无状态的优势就不明显了。

优势：

　　1、快速开发

　　2、不需要cookie

　　3、JSON在移动端的广泛应用

　　4、不依赖与社交登录

　　5、相对简单的概念理解

限制

　　1、token有长度限制

　　2、token不能撤销

　　3、需要token有失效时间限制（exp）

OAuthor2使用场景

外包认证服务器

　　上边已经讨论过，如果不介意API的使用依赖于外部的第三方认证提供者，你可以简单地把认证工作留给认证服务商去做。也就是常见的，去认证服务商（比如facebook）那里注册你的应用，然后设置需要访问的用户信息，比如电子邮箱、姓名等。当用户访问站点的注册页面时，会看到连接到第三方提供商的入口。用户点击以后被重定向到对应的认证服务商网站，获得用户的授权后就可以访问到需要的信息，然后重定向回来。

优势：

　　1、快速开发

　　2、实施代码量小

　　3、维护工作减少

大型企业解决方案

　　如果设计的API要被不同的App使用，并且每个App使用的方式也不一样，使用OAuth2是个不错的选择。考虑到工作量，可能需要单独的团队，针对各种应用开发完善、灵活的安全策略。当然需要的工作量也比较大！

优势

　　1、灵活的实现方式

　　2、可以和JWT同时使用

　　3、可以针对不同的应用扩展

简单介绍下在.net core的项目中是如何使用JWT的。

首先，我们的服务是基于组件化的，当然需要先把身份认证的服务注册进来。在Startup类中的ConfigureServices（）方法中：

　　services.AddSingleton<ITokenHelper, TokenHelper>();
　　// configure strongly typed settings objects
　　var jwtConfigSection = Configuration.GetSection("Authentication:JwtBearer");
　　services.Configure<JWTConfig>(jwtConfigSection);

　　// configure jwt authentication
　　var jwtConfig = jwtConfigSection.Get<JWTConfig>();

services.AddAuthentication(x =>
{
    x.DefaultAuthenticateScheme = JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme;
    x.DefaultChallengeScheme = JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme;
}).AddCookie(AdminUserAccountConst.AdminUserCookie, options =>
{
    options.Cookie.Name = AdminUserAccountConst.AdminUserCookieName;
    options.Cookie.HttpOnly = true;
    options.LoginPath = AdminUserAccountConst.AdminUserLoginPath;
    options.AccessDeniedPath = AdminUserAccountConst.AdminUserLoginPath;
}).AddJwtBearer(AdminUserAccountConst.AdminUserJwt, o =>
{
    o.TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
    {
        NameClaimType = JwtClaimTypes.Name,
        RoleClaimType = JwtClaimTypes.Role,
        ValidateLifetime = false,
        ValidIssuer = Configuration["Authentication:JwtBearer:Issuer"],
        ValidAudience = Configuration["Authentication:JwtBearer:Audience"],
        IssuerSigningKey = new SymmetricSecurityKey(Encoding.ASCII.GetBytes(Configuration["Authentication:JwtBearer:SecurityKey"]))
    };
    o.ForwardChallenge = AdminUserAccountConst.AdminUserCookie;
});

下面是上面所需要用到一些自定义类型：

AdminUserAccountConst

public class AdminUserAccountConst
{
    public const string AdminUserCookie = "AdminUserCookies";

    public const string AdminUserCookieName = "AdminUserCookieName";

    public const string AdminUserLoginPath = "/account/login";

    public const string AdminUserJwt = "AdminUserJwt";

    public const string AdminUserRole = "adminuser";
}

JWTConfig

public class JWTConfig
{
    public string Issuer { get; set; }
    public string Audience { get; set; }
    public string IssuerSigningKey { get; set; }
    public int AccessTokenExpiresMinutes { get; set; }

    public string RefreshTokenAudience { get; set; }
    public int RefreshTokenExpiresMinutes { get; set; }
}

至于这些类型的字段，可以自行在appsettings.json中去赋值。

"Authentication": {
  "JwtBearer": {
    "Issuer": "Bingle",
    "Audience": "Bingle",
    "IssuerSigningKey": "Bingle_C421AAEE0D114EAAACVD",
    "AccessTokenExpiresMinutes": "14400",

    "RefreshTokenAudience": "RefreshTokenAudience",
    "RefreshTokenExpiresMinutes": "43200" //60*24*30
  }
},

ITokenHelper与TokenHepler

 public interface ITokenHelper
 {
     ComplexToken CreateToken(User user);
     ComplexToken CreateToken(Claim[] claims);
     (Result result, string userCode) ConfirmRefreshToken(string refreshToken);
 }

 public class TokenHelper : ITokenHelper
 {
     private readonly IOptions<JWTConfig> _options;
     public TokenHelper(IOptions<JWTConfig> options)
     {
         _options = options;
     }

     public ComplexToken CreateToken(User user)
     {
         Claim[] claims = new Claim[]
         {
             new Claim(JwtClaimTypes.Id, user.UserCode),
             new Claim(JwtClaimTypes.Name, user.UserName),
             new Claim(JwtClaimTypes.Role, user.UserRole.GetExtendDescription()),
             new Claim(ClaimTypes.Role, user.UserRole.GetExtendDescription()),
             new Claim(JwtClaimTypes.Actor, user.PartyId)
         };
         return CreateToken(claims);
     }

     public ComplexToken CreateToken(Claim[] claims)
     {
         return new ComplexToken
         {
             AccessToken = CreateToken(claims, TokenType.AccessToken),
             RefreshToken = CreateToken(new Claim[]{claims.First(x=>x.Type == JwtClaimTypes.Id)}, TokenType.RefreshToken)
         };
     }

     /// <summary>
     /// 用于创建AccessToken和RefreshToken。
     /// 这里AccessToken和RefreshToken只是过期时间不同，【实际项目】中二者的claims内容可能会不同。
     /// 因为RefreshToken只是用于刷新AccessToken，其内容可以简单一些。
     /// 而AccessToken可能会附加一些其他的Claim。
     /// </summary>
     /// <param name="claims"></param>
     /// <param name="tokenType"></param>
     /// <returns></returns>
     private Token CreateToken(Claim[] claims, TokenType tokenType)
     {
         var now = DateTime.Now;
         var expires = now.Add(TimeSpan.FromMinutes(tokenType.Equals(TokenType.AccessToken) ? _options.Value.AccessTokenExpiresMinutes : _options.Value.RefreshTokenExpiresMinutes));
         var token = new JwtSecurityToken(
             issuer: _options.Value.Issuer,
             audience: tokenType.Equals(TokenType.AccessToken) ? _options.Value.Audience : _options.Value.RefreshTokenAudience,
             claims: claims,
             notBefore: now,
             expires: expires,
             signingCredentials: new SigningCredentials(new SymmetricSecurityKey(Encoding.UTF8.GetBytes(_options.Value.IssuerSigningKey)), SecurityAlgorithms.HmacSha256));
         return new Token { TokenContent = new JwtSecurityTokenHandler().WriteToken(token), Expires = expires };
     }

     public (Result result, string userCode) ConfirmRefreshToken(string refreshToken)
     {
         var tokenHandler = new JwtSecurityTokenHandler();
         if (!tokenHandler.CanReadToken(refreshToken))
             return (Result.FromCode(ResultCode.InvalidToken, "RefreshToken不正确"), null);
         var jwtSecurityToken = tokenHandler.ReadJwtToken(refreshToken);
         if (jwtSecurityToken.Issuer != _options.Value.Issuer || !jwtSecurityToken.Audiences.Contains(_options.Value.RefreshTokenAudience))
             return (Result.FromCode(ResultCode.InvalidToken, "RefreshToken不正确"), null);
         if (jwtSecurityToken.ValidTo < DateTime.Now)
             return (Result.FromCode(ResultCode.InvalidToken, "RefreshToken已经过期了"), null);

         return (Result.Ok(), jwtSecurityToken.Claims.First(x => x.Type == JwtClaimTypes.Id).Value);
     }

 }

还要在Configure方法中使用中间件：

app.UseAuthentication();

首先，定义一个API的基类，后面的API继承此基类就可以了

[Route("[controller]/[action]")]
[ApiController]
[Authorize(
    AuthenticationSchemes = AdminUserAccountConst.AdminUserCookie,
    Roles = AdminUserAccountConst.AdminUserRole)]
public class BasicAdminController : ControllerBase
{
}

现在新建一个用户登录和退出的APIController继承与上面那个基类就可以了。这里简化 了代码

[HttpPost]
[AllowAnonymous]
[ProducesResponseType(typeof(Result<TokenResultDto>), 200)]
public JsonResult Login([FromBody]LoginDto model)
{
    var user = new User();//这里需要去数据库中进行校验
    if (user == null)
        return Json(new {IsSuccess=false,Msg="参数错误"});
    var result = _tokenHelper.CreateToken(new User
    {
        UserCode = user.UserCode,
        UserName = user.UserName,
        Telphone = user.Telphone,
        PartyId = user.ShopCode,
        UserRole = UserRoleEnum.user,
    });

    user.RefreshToken = result.RefreshToken.TokenContent;
    return Json(new TokenResultDto
    {
        AccessToken = result.AccessToken.TokenContent,
        Expires = result.AccessToken.Expires,
        RefreshToken = result.RefreshToken.TokenContent,
    });
}

这里使用AllowAnonymous标签，是因为登录并不需要进行身份验证。当需要授权才能访问的接口，不需要加上这个标签。