【.NET Core項目實戰-統一認證平臺】第十二章 授權篇-深入理解JWT生成及驗證流程

来源:https://www.cnblogs.com/jackcao/archive/2018/12/29/10195351.html
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【.NET Core項目實戰-統一認證平臺】開篇及目錄索引

上篇文章介紹了基於Ids4密碼授權模式，從使用場景、原理分析、自定義帳戶體系集成完整的介紹了密碼授權模式的內容，並最後給出了三個思考問題，本篇就針對第一個思考問題詳細的講解下Ids4是如何生成access_token的，如何驗證access_token的有效性，最後我們使用.net webapi來實現一個外部介面（本來想用JAVA來實現的，奈何沒學好，就當拋磚引玉吧，有會JAVA的朋友根據我寫的案例使用JAVA來實現一個案例）。

.netcore項目實戰交流群（637326624），有興趣的朋友可以在群里交流討論。

一、JWT簡介

  1. 什麼是JWT？
    JSON Web Token (JWT)是一個開放標準(RFC 7519)，它定義了一種緊湊的、自包含的方式，用於作為JSON對象在各方之間安全地傳輸信息。該信息可以被驗證和信任，因為它是數字簽名的。

  2. 什麼時候使用JWT？

1）、認證，這是比較常見的使用場景，只要用戶登錄過一次系統，之後的請求都會包含簽名出來的token，通過token也可以用來實現單點登錄。

2）、交換信息，通過使用密鑰對來安全的傳送信息，可以知道發送者是誰、放置消息是否被篡改。

  1. JWT的結構是什麼樣的？

JSON Web Token由三部分組成，它們之間用圓點(.)連接。這三部分分別是：

  • Header
  • Payload
  • Signature

Header
header典型的由兩部分組成：token的類型（“JWT”）和演算法名稱（比如：HMAC SHA256或者RSA等等）。

例如：

{
    "alg": "RS256",
    "typ": "JWT"
}

然後，用Base64對這個JSON編碼就得到JWT的第一部分

Payload

JWT的第二部分是payload，它包含聲明（要求）。聲明是關於實體(通常是用戶)和其他數據的聲明。聲明有三種類型: registered, public 和 private。

  • Registered claims : 這裡有一組預定義的聲明，它們不是強制的，但是推薦。比如：iss (issuer), exp (expiration time), sub (subject), aud (audience)等。
  • Public claims : 可以隨意定義。
  • Private claims : 用於在同意使用它們的各方之間共用信息，並且不是註冊的或公開的聲明。

下麵是一個例子：

{
 "nbf": 1545919058,
 "exp": 1545922658,
 "iss": "http://localhost:7777",
 "aud": [
     "http://localhost:7777/resources",
     "mpc_gateway"
 ],
 "client_id": "clienta",
 "sub": "1",
 "auth_time": 1545919058,
 "idp": "local",
 "nickname": "金焰的世界",
 "email": "[email protected]",
 "mobile": "13888888888",
 "scope": [
     "mpc_gateway",
     "offline_access"
 ],
 "amr": [
     "pwd"
 ]
}

對payload進行Base64編碼就得到JWT的第二部分

註意,不要在JWT的payload或header中放置敏感信息，除非它們是加密的。

Signature

為了得到簽名部分，你必須有編碼過的header、編碼過的payload、一個秘鑰，簽名演算法是header中指定的                那個，然對它們簽名即可。

例如：HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload), secret)

簽名是用於驗證消息在傳遞過程中有沒有被更改，並且，對於使用私鑰簽名的token，它還可以驗證JWT的發送方是否為它所稱的發送方。

二、IdentityServer4是如何生成jwt的？

在瞭解了JWT的基本概念介紹後，我們要知道JWT是如何生成的，加密的方式是什麼，我們如何使用自己的密鑰進行加密。

IdentityServer4的加密方式？

Ids4目前使用的是RS256非對稱方式，使用私鑰進行簽名，然後客戶端通過公鑰進行驗簽。可能有的人會問，我們在生成Ids4時，也沒有配置證書，為什麼也可以運行起來呢？這裡就要講解證書的使用，以及Ids4使用證書的加密流程。

1、載入證書

Ids4預設使用臨時證書來進行token的生成，使用代碼 .AddDeveloperSigningCredential()，這裡會自動給生成tempkey.rsa證書文件，所以項目如果使用預設配置的根目錄可以查看到此文件,實現代碼如下：

public static IIdentityServerBuilder AddDeveloperSigningCredential(this IIdentityServerBuilder builder, bool persistKey = true, string filename = null)
{
    if (filename == null)
    {
        filename = Path.Combine(Directory.GetCurrentDirectory(), "tempkey.rsa");
    }

    if (File.Exists(filename))
    {
        var keyFile = File.ReadAllText(filename);
        var tempKey = JsonConvert.DeserializeObject<TemporaryRsaKey>(keyFile, new JsonSerializerSettings { ContractResolver = new RsaKeyContractResolver() });

        return builder.AddSigningCredential(CreateRsaSecurityKey(tempKey.Parameters, tempKey.KeyId));
    }
    else
    {
        var key = CreateRsaSecurityKey();

        RSAParameters parameters;

        if (key.Rsa != null)
            parameters = key.Rsa.ExportParameters(includePrivateParameters: true);
        else
            parameters = key.Parameters;

        var tempKey = new TemporaryRsaKey
        {
            Parameters = parameters,
            KeyId = key.KeyId
        };

        if (persistKey)
        {
            File.WriteAllText(filename, JsonConvert.SerializeObject(tempKey, new JsonSerializerSettings { ContractResolver = new RsaKeyContractResolver() }));
        }

        return builder.AddSigningCredential(key);
    }
}

這也就可以理解為什麼沒有配置證書也一樣可以使用了。

註意：在生產環境我們最好使用自己配置的證書。

如果我們已經有證書了，可以使用如下代碼實現,至於證書是如何生成的，網上資料很多，這裡就不介紹了。

 .AddSigningCredential(new X509Certificate2(Path.Combine(basePath,"test.pfx"),"123456"));

然後註入證書相關信息，代碼如下：

builder.Services.AddSingleton<ISigningCredentialStore>(new DefaultSigningCredentialsStore(credential));
            builder.Services.AddSingleton<IValidationKeysStore>(new DefaultValidationKeysStore(new[] { credential.Key }));

後面就可以在項目里使用證書的相關操作了，比如加密、驗簽等。

2、使用證書加密

上篇我介紹了密碼授權模式，詳細的講解了流程，當所有信息校驗通過，Claim生成完成後，就開始生成token了，核心代碼如下。

public virtual async Task<string> CreateTokenAsync(Token token)
{
    var header = await CreateHeaderAsync(token);
    var payload = await CreatePayloadAsync(token);
    return await CreateJwtAsync(new JwtSecurityToken(header, payload));
}
//使用配置的證書生成JWT頭部
protected virtual async Task<JwtHeader> CreateHeaderAsync(Token token)
{
    var credential = await Keys.GetSigningCredentialsAsync();

    if (credential == null)
    {
        throw new InvalidOperationException("No signing credential is configured. Can't create JWT token");
    }

    var header = new JwtHeader(credential);

    // emit x5t claim for backwards compatibility with v4 of MS JWT library
    if (credential.Key is X509SecurityKey x509key)
    {
        var cert = x509key.Certificate;
        if (Clock.UtcNow.UtcDateTime > cert.NotAfter)
        {//如果證書過期提示
            Logger.LogWarning("Certificate {subjectName} has expired on {expiration}", cert.Subject, cert.NotAfter.ToString(CultureInfo.InvariantCulture));
        }
        header["x5t"] = Base64Url.Encode(cert.GetCertHash());
    }

    return header;
}
//生成內容
public static JwtPayload CreateJwtPayload(this Token token, ISystemClock clock, ILogger logger)
{
    var payload = new JwtPayload(
        token.Issuer,
        null,
        null,
        clock.UtcNow.UtcDateTime,
        clock.UtcNow.UtcDateTime.AddSeconds(token.Lifetime));

    foreach (var aud in token.Audiences)
    {
        payload.AddClaim(new Claim(JwtClaimTypes.Audience, aud));
    }

    var amrClaims = token.Claims.Where(x => x.Type == JwtClaimTypes.AuthenticationMethod);
    var scopeClaims = token.Claims.Where(x => x.Type == JwtClaimTypes.Scope);
    var jsonClaims = token.Claims.Where(x => x.ValueType == IdentityServerConstants.ClaimValueTypes.Json);

    var normalClaims = token.Claims
        .Except(amrClaims)
        .Except(jsonClaims)
        .Except(scopeClaims);

    payload.AddClaims(normalClaims);

    // scope claims
    if (!scopeClaims.IsNullOrEmpty())
    {
        var scopeValues = scopeClaims.Select(x => x.Value).ToArray();
        payload.Add(JwtClaimTypes.Scope, scopeValues);
    }

    // amr claims
    if (!amrClaims.IsNullOrEmpty())
    {
        var amrValues = amrClaims.Select(x => x.Value).Distinct().ToArray();
        payload.Add(JwtClaimTypes.AuthenticationMethod, amrValues);
    }

    // deal with json types
    // calling ToArray() to trigger JSON parsing once and so later 
    // collection identity comparisons work for the anonymous type
    try
    {
        var jsonTokens = jsonClaims.Select(x => new { x.Type, JsonValue = JRaw.Parse(x.Value) }).ToArray();

        var jsonObjects = jsonTokens.Where(x => x.JsonValue.Type == JTokenType.Object).ToArray();
        var jsonObjectGroups = jsonObjects.GroupBy(x => x.Type).ToArray();
        foreach (var group in jsonObjectGroups)
        {
            if (payload.ContainsKey(group.Key))
            {
                throw new Exception(string.Format("Can't add two claims where one is a JSON object and the other is not a JSON object ({0})", group.Key));
            }

            if (group.Skip(1).Any())
            {
                // add as array
                payload.Add(group.Key, group.Select(x => x.JsonValue).ToArray());
            }
            else
            {
                // add just one
                payload.Add(group.Key, group.First().JsonValue);
            }
        }

        var jsonArrays = jsonTokens.Where(x => x.JsonValue.Type == JTokenType.Array).ToArray();
        var jsonArrayGroups = jsonArrays.GroupBy(x => x.Type).ToArray();
        foreach (var group in jsonArrayGroups)
        {
            if (payload.ContainsKey(group.Key))
            {
                throw new Exception(string.Format("Can't add two claims where one is a JSON array and the other is not a JSON array ({0})", group.Key));
            }

            var newArr = new List<JToken>();
            foreach (var arrays in group)
            {
                var arr = (JArray)arrays.JsonValue;
                newArr.AddRange(arr);
            }

            // add just one array for the group/key/claim type
            payload.Add(group.Key, newArr.ToArray());
        }

        var unsupportedJsonTokens = jsonTokens.Except(jsonObjects).Except(jsonArrays);
        var unsupportedJsonClaimTypes = unsupportedJsonTokens.Select(x => x.Type).Distinct();
        if (unsupportedJsonClaimTypes.Any())
        {
            throw new Exception(string.Format("Unsupported JSON type for claim types: {0}", unsupportedJsonClaimTypes.Aggregate((x, y) => x + ", " + y)));
        }

        return payload;
    }
    catch (Exception ex)
    {
        logger.LogCritical(ex, "Error creating a JSON valued claim");
        throw;
    }
}
//生成最終的Token
protected virtual Task<string> CreateJwtAsync(JwtSecurityToken jwt)
{
    var handler = new JwtSecurityTokenHandler();
    return Task.FromResult(handler.WriteToken(jwt));
}

知道了這些原理後，我們就能清楚的知道access_token都放了那些東西，以及我們可以如何來驗證生成的Token。

三、如何驗證access_token的有效性？

知道瞭如何生成後，最主要的目的還是要直接我們服務端是如何來保護介面安全的，為什麼服務端只要加入下代碼就能夠保護配置的資源呢？

services.AddAuthentication("Bearer")
        .AddIdentityServerAuthentication(options =>
            {
               options.Authority ="http://localhost:7777";
               options.RequireHttpsMetadata = false;
               options.ApiName = "Api1";
               options.SaveToken = true;
            });
//啟用授權 
app.UseAuthentication();

在理解這個前，我們需要瞭解系統做的驗證流程，這裡使用一張圖可以很好的理解流程了。

img
看完後是不是豁然開朗？這裡就可以很好的理解/.well-known/openid-configuration/jwks原來就是證書的公鑰信息，是通過訪問/.well-known/openid-configuration暴露給所有的客戶端使用，安全性是用過非對稱加密的原理保證，私鑰加密的信息，公鑰只能驗證，所以也不存在密鑰泄漏問題。

雖然只是短短的幾句代碼，就做了那麼多事情，這說明Ids4封裝的好，減少了我們很多編碼工作。這是有人會問，那如果我們的項目不是.netcore的，那如何接入到網關呢？

網上有一個Python例子，用 Identity Server 4 (JWKS 端點和 RS256 演算法) 來保護 Python web api.

本來準備使用Java來實現，好久沒摸已經忘了怎麼寫了，留給會java的朋友實現吧，原理都是一樣。

下麵我就已webapi為例來開發服務端介面，然後使用Ids4來保護介面內容。

新建一個webapi項目，項目名稱Czar.AuthPlatform.WebApi，為了讓輸出的結果為json，我們需要在WebApiConfig增加config.Formatters.Remove(config.Formatters.XmlFormatter);代碼，然後修改預設的控制器ValuesController，修改代碼如下。

[Ids4Auth("http://localhost:6611", "mpc_gateway")]
public IEnumerable<string> Get()
{
      var Context = RequestContext.Principal; 
      return new string[] { "WebApi Values" };
}

為了保護api安全，我們需要增加一個身份驗證過濾器，實現代碼如下。

using Microsoft.IdentityModel.Tokens;
using Newtonsoft.Json;
using Newtonsoft.Json.Linq;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.IdentityModel.Tokens.Jwt;
using System.Linq;
using System.Net;
using System.Net.Http;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Web;
using System.Web.Http.Controllers;
using System.Web.Http.Filters;

namespace Czar.AuthPlatform.WebApi
{
    public class Ids4AuthAttribute : AuthorizationFilterAttribute
    {
        /// <summary>
        /// 認證伺服器地址
        /// </summary>
        private string issUrl = "";
        /// <summary>
        /// 保護的API名稱
        /// </summary>
        private string apiName = "";

        public Ids4AuthAttribute(string IssUrl,string ApiName)
        {
            issUrl = IssUrl;
            apiName = ApiName;
        }
        /// <summary>
        /// 重寫驗證方式
        /// </summary>
        /// <param name="actionContext"></param>
        public override void OnAuthorization(HttpActionContext actionContext)
        {
            try
            {
                var access_token = actionContext.Request.Headers.Authorization?.Parameter; //獲取請求的access_token
                if (String.IsNullOrEmpty(access_token))
                {//401
                    actionContext.Response = actionContext.Request.CreateResponse(HttpStatusCode.Unauthorized);
                    actionContext.Response.Content = new StringContent("{\"errcode\":401,\"errmsg\":\"未授權\"}");
                }
                else
                {//開始驗證請求的Token是否合法
                    //1、獲取公鑰
                    var httpclient = new HttpClient();
                    var jwtKey= httpclient.GetStringAsync(issUrl + "/.well-known/openid-configuration/jwks").Result;
                    //可以在此處緩存jwtkey，不用每次都獲取。
                    var Ids4keys = JsonConvert.DeserializeObject<Ids4Keys>(jwtKey);
                    var jwk = Ids4keys.keys;
                    var parameters = new TokenValidationParameters
                    { //可以增加自定義的驗證項目
                        ValidIssuer = issUrl,
                        IssuerSigningKeys = jwk ,
                        ValidateLifetime = true,
                        ValidAudience = apiName
                    };
                    var handler = new JwtSecurityTokenHandler();
                    //2、使用公鑰校驗是否合法,如果驗證失敗會拋出異常
                    var id = handler.ValidateToken(access_token, parameters, out var _);
                    //請求的內容保存
                    actionContext.RequestContext.Principal = id;
                }
            }
            catch(Exception ex)
            {
                actionContext.Response = actionContext.Request.CreateResponse(HttpStatusCode.Unauthorized);
                actionContext.Response.Content = new StringContent("{\"errcode\":401,\"errmsg\":\"未授權\"}");
            }
        }
    }

    public class Ids4Keys
    {
        public JsonWebKey[] keys { get; set; }
    }
}

代碼非常簡潔，就實現了基於Ids4的訪問控制，現在我們開始使用PostMan來測試介面地址。

我們直接請求介面地址，返回401未授權。

然後我使用Ids4生成的access_token再次測試，可以得到我們預期結果。

為了驗證是不是任何地方簽發的token都可以通過驗證，我使用其他項目生成的access_token來測試，發現提示的401未授權，可以達到我們預期結果。

現在就可以開心的使用我們熟悉的webapi開發我們的介面了，需要驗證的地方增加類似[Ids4Auth("http://localhost:6611", "mpc_gateway")]代碼即可。

使用其他語言實現的原理基本一致，就是公鑰來驗簽，只要通過驗證證明是允許訪問的請求，由於公鑰一直不變（除非認證伺服器更新了證書），所以我們請求到後可以緩存到本地，這樣驗簽時可以省去每次都獲取公鑰這步操作。

四、總結

本篇我們介紹了JWT的基本原理和Ids4的JWT實現方式，然後使用.NET webapi實現了使用Ids4保護介面，其他語言實現方式一樣，這樣我們就可以把網關部署後，後端服務使用任何語言開發，然後接入到網關即可。

有了這些知識點，感覺是不是對Ids4的理解更深入了呢？JWT確實方便，但是有些特殊場景是我們希望Token在有效期內通過人工配置的方式立即失效，如果按照現有Ids4驗證方式是沒有辦法做到，那該如何實現呢？我將會在下一篇來介紹如何實現強制token失效，敬請期待吧。


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    前言 隨著物聯網（IoT）技術的迅猛發展，MQTT（消息隊列遙測傳輸）協議憑藉其輕量級和高效性，已成為眾多物聯網應用的首選通信標準。 MQTTnet 作為一個高性能的 .NET 開源庫，為 .NET 平臺上的 MQTT 客戶端與伺服器開發提供了強大的支持。 本文將全面介紹 MQTTnet 的核心功能 ...
  • Serilog文檔翻譯系列（六） - 可用的接收器、增強器、格式化輸出
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  • 警惕 Visual Studio 屬性求值副作用導致邏輯不符合預期
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  • 在 ASP.NET Core Web API 中使用操作篩選器統一處理通用操作
    本文章主要是在C# ASP.NET Core Web API框架實現向手機發送驗證碼簡訊功能。這裡我選擇是一個互億無線簡訊驗證碼平臺，其實像阿裡雲，騰訊雲上面也可以。 首先我們先去 互億無線 https://www.ihuyi.com/api/sms.html 去註冊一個賬號 註冊完成賬號後，它會送 ...
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    通過以下方式可以高效，並保證數據同步的可靠性 1.API設計 使用RESTful設計，確保API端點明確，並使用適當的HTTP方法（如POST用於創建，PUT用於更新）。 設計清晰的請求和響應模型，以確保客戶端能夠理解預期格式。 2.數據驗證 在伺服器端進行嚴格的數據驗證，確保接收到的數據符合預期格 ...
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