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ASP.NET Core 使用 JWT 搭建分布式无状态身份验证系统

2017-12-11 17:45 811 查看
原文:ASP.NET Core 使用 JWT 搭建分布式无状态身份验证系统升级到 Asp.Net Core 2.0 (2017/08/29 更新)

为什么使用 Jwt

最近,移动开发的劲头越来越足,学校搞的各种比赛都需要用手机 APP 来撑场面,所以,作为写后端的,很有必要改进一下以往的基于 Session 的身份认证方式了,理由如下:

移动端经常要保持长时间(1 到 2 星期)在线,但是 Session 却不好在服务端保存这么久,虽然可以持久化到数据库,但是还是挺费资源

移动端往往不是使用的网页技术,所以藏在 Cookie 里面的 SessionId 不是很方便的传递给服务端

服务端暴露给客户端的接口往往是 RESTful 风格的,这是一种无状态的 API 风格,所以身份认证的方式最好也是无状态的才好

所以我选择了使用 Jwt (Json Web Token) 这个技术。Jwt 是一种无状态的分布式的身份验证方式,与 Session 相反,Jwt 将用户信息存放在 Token 的 payload 字段保存在客户端,通过 RSA 加密的方式,保证数据不会被篡改,验证数据有效性。

下面是一个使用 Jwt 的系统的身份验证流程:



可以看出,用户的信息保存在 Token 中,而 Token 分布在用户的设备中,所以服务端不再需要在内存中保存用户信息了

身份认证的 Token 传递时以一种相当简单的格式保存在 header 中,方便客户端对其进行操作

Jwt 简介

Jwt 形式的 token 一般分为 3 个部分,分别是 Header,Payload,Signature,这三个部分使用
.
分隔。其中前两部分使用 Base64 编码,未经加密处理,第三个部分使用 RSA 加密。

所以一个 Jwt 看起来大概是这个样子:

header.payload.signature

下面是一个真实的 Jwt:

eyJhbGciOiJSUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJ1bmlxdWVfbmFtZSI6InplZWtvIiwicm9sZSI6IiIsIm5hbWVpZCI6MSwianRpIjoiNjNjN2Q3OWY2N2VhMDhjYjRiYzNjMmNkOTJiY2JkNTgiLCJuYmYiOjE0OTQ0MDMwMjQsImV4cCI6MTQ5NTAwNzgyMywiaWF0IjoxNDk0NDAzMDI0LCJpc3MiOiJUZXN0SXNzdWVyIiwiYXVkIjoiVGVzdEF1ZGllbmNlIn0.V7Mfi3FGOTLYV0O5DmOWju7LkDJwZNO6HZN19CHb3ekYxcoVbP51YjYAr0fUHc3RPIp3gxITzziHY-07xZ2swCaV0K-hiF5IbwpDuvyxsnlgaRxS94wKDGKSJkArC82KukCtm7IuFBxnNr6kxe7tGcebVhqtaqgnxEUg5lKtDtVI85kd17YtzBp9Vxnc3Ie0r-6KPgUa2HacCf2Pc3hkvY7tZdWZ6ininZlZ-EbcyZI2KTx-vOqdK63MS2JYSw7W2qwf89tsRsORwbB2P4dOBBFK8YSXJpeyGeJWFEMjAMkiH3AeMmW2w_H7r_6Pn-jh5gozzBei4JoHTU6RVDUg1A

Header

Header 部分一般用来记录加密算法跟 Token 类型

举个例子:

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

Payload

Payload 存放的是一些不敏感的用户数据,因为这一部分仅仅只是使用 Base64 加密,所以不应该用来保存用户的密码之类的信息。

一个例子:

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

Signature

这一部分是 Jwt 最重要的部分,使用 header 中记录的算法进行了加密,加密方式如下:

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

所以这个部分可以用来保证用户信息不被篡改,起到验证用户身份的作用

在开发过程中,可以访问 https://jwt.io 来调试 Token

当然,为了更快的访问速度,还可以使用 这个网站

在 ASP.NET Core 中使用 Jwt

因为 Jwt 本身的特点,所以用来签发 Token 的服务器可以跟应用服务器不是同一台,这样就可以搞微服务之类的东西(反正我不懂。。。)

因此,在这篇博客中,将会创建两个 Web 应用:

JwtIssuer // 用来签发 Token

JwtAudience // 应用服务器,提供 API 的



首先来搭建我们的 Token 签发服务器吧!

签发第一个 Token

由于要使用到 RSA 加密,所以先创建一个辅助类来帮助简化调用:

RSAUtils.cs

using System.IO;
using System.Security.Cryptography;
using Newtonsoft.Json;

namespace JwtUtils
{
public static class RSAUtils
{
/// <summary>
/// 从本地文件中读取用来签发 Token 的 RSA Key
/// </summary>
/// <param name="filePath">存放密钥的文件夹路径</param>
/// <param name="withPrivate"></param>
/// <param name="keyParameters"></param>
/// <returns></returns>
public static bool TryGetKeyParameters(string filePath, bool withPrivate, out RSAParameters keyParameters)
{
string filename = withPrivate ? "key.json" : "key.public.json";
keyParameters = default(RSAParameters);
if (Directory.Exists(filePath) == false) return false;
keyParameters = JsonConvert.DeserializeObject<RSAParameters>(File.ReadAllText(Path.Combine(filePath, filename)));
return true;
}

/// <summary>
/// 生成并保存 RSA 公钥与私钥
/// </summary>
/// <param name="filePath">存放密钥的文件夹路径</param>
/// <returns></returns>
public static RSAParameters GenerateAndSaveKey(string filePath)
{
RSAParameters publicKeys, privateKeys;
using (var rsa = new RSACryptoServiceProvider(2048))
{
try
{
privateKeys = rsa.ExportParameters(true);
publicKeys = rsa.ExportParameters(false);
}
finally
{
rsa.PersistKeyInCsp = false;
}
}
File.WriteAllText(Path.Combine(filePath, "key.json"), JsonConvert.SerializeObject(privateKeys));
File.WriteAllText(Path.Combine(filePath, "key.public.json"), JsonConvert.SerializeObject(publicKeys));
return privateKeys;
}
}
}

这个工具类能够帮助我们生成 RSA 密钥,并把生成的私钥跟公钥保存在两个文件中,还能从文件中读取密钥。

然后定义一个数据类,用来帮助我们在应用的各个地方获取加密相关的信息:

JWTTokenOptions.cs

using Microsoft.IdentityModel.Tokens;

namespace JwtUtils
{
public class JWTTokenOptions
{
public string Audience { get; set; }
public RsaSecurityKey Key { get; set; }
public SigningCredentials Credentials { get; set; }
public string Issuer { get; set; }
}
}

接下来在 Startup.cs 中配置 Jwt 的加密选项:

public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
// 省略了其他的东西

// 从文件读取密钥
string keyDir = PlatformServices.Default.Application.ApplicationBasePath;
if (RSAUtils.TryGetKeyParameters(keyDir, true, out RSAParameters keyParams) == false)
{
keyParams = RSAUtils.GenerateAndSaveKey(keyDir);
}
_tokenOptions.Key = new RsaSecurityKey(keyParams);
_tokenOptions.Issuer = "TestIssuer"; // 签发者名称
_tokenOptions.Credentials = new SigningCredentials(_tokenOptions.Key, SecurityAlgorithms.RsaSha256Signature);
// 添加到 IoC 容器
services.AddSingleton(_tokenOptions);

services.AddMvc();
}

接下来创建一个控制器,用来提供签发 Token 的 API

TokenController.cs

namespace JwtIssuer.Controllers
{
[Route("api/[controller]")]
public class TokenController : Controller
{
private readonly JWTTokenOptions _tokenOptions;
private readonly AuthDbContext _dbContext;

public TokenController(JWTTokenOptions tokenOptions, AuthDbContext dbContext)
{
_tokenOptions = tokenOptions;
_dbContext = dbContext;
}

/// <summary>
/// 生成一个新的 Token
/// </summary>
/// <param name="user">用户信息实体</param>
/// <param name="expire">token 过期时间</param>
/// <param name="audience">Token 接收者</param>
/// <returns></returns>
private string CreateToken(User user, DateTime expire, string audience)
{
var handler = new JwtSecurityTokenHandler();
string jti = audience + user.Username + expire.GetMilliseconds();
jti = jti.GetMd5(); // Jwt 的一个参数,用来标识 Token
var claims = new[]
{
new Claim(ClaimTypes.Role, user.Role ?? string.Empty), // 添加角色信息
new Claim(ClaimTypes.NameIdentifier, user.Id.ToString(), // 用户 Id ClaimValueTypes.Integer32),
new Claim("jti",jti,ClaimValueTypes.String) // jti,用来标识 token
};
ClaimsIdentity identity = new ClaimsIdentity(new GenericIdentity(user.Username, "TokenAuth"), claims);
var token = handler.CreateEncodedJwt(new SecurityTokenDescriptor
{
Issuer = "TestIssuer", // 指定 Token 签发者,也就是这个签发服务器的名称
Audience = audience, // 指定 Token 接收者
SigningCredentials = _tokenOptions.Credentials,
Subject = identity,
Expires = expire
});
return token;
}

/// <summary>
/// 用户登录
/// </summary>
/// <param name="user">用户登录信息</param>
/// <param name="audience">要访问的网站</param>
/// <returns></returns>
[HttpPost("{audience}")]
public IActionResult Post([FromBody]User user, string audience)
{
DateTime expire = DateTime.Now.AddDays(7);

// 在这里来验证用户的用户名、密码
var result = _dbContext.Users.First(u => u.Username == user.Username && u.Password == user.Password);
if (result == null)
{
return Json(new { Error = "用户名或密码错误" });
}
return Json(new { Token = CreateToken(result, expire, audience) });
}
}
}

现在,访问这个 API(http://localhost:port/api/token/TestAudience) 就可以获取用户的 Token 了



在应用服务器验证 Token

在 Startup.cs 中注册 Jwt 相关的服务:

public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
// 省略了其他的内容

// 从文件读取密钥
string keyDir = PlatformServices.Default.Application.ApplicationBasePath;
if (RSAUtils.TryGetKeyParameters(keyDir, false, out RSAParameters keyparams) == false)
{
_tokenOptions.Key = default(RsaSecurityKey);
}
else
{
_tokenOptions.Key = new RsaSecurityKey(keyparams);
}
_tokenOptions.Issuer = "TestIssuer"; // 设置签发者
_tokenOptions.Audience = "TestAudience"; // 设置签收者,也就是这个应用服务器的名称
_tokenOptions.Credentials = new SigningCredentials(_tokenOptions.Key, SecurityAlgorithms.RsaSha256Signature);

services.AddAuthorization(auth =>
{
auth.AddPolicy("Bearer", new AuthorizationPolicyBuilder()
.AddAuthenticationSchemes(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme)
.RequireAuthenticatedUser()
.Build());
});

// Add framework services.
services.AddMvc();
}

然后在 Startup.cs 添加 Jwt 认证中间件:

public void Configure(IApplicationBuilder app, IHostingEnvironment env, ILoggerFactory loggerFactory)
{
// 省略了其他的内容

app.UseJwtBearerAuthentication(new JwtBearerOptions
{
TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
{
IssuerSigningKey = _tokenOptions.Key,
ValidAudience = _tokenOptions.Audience, // 设置接收者必须是 TestAudience
ValidIssuer = _tokenOptions.Issuer, // 设置签发者必须是 TestIssuer
ValidateLifetime = true
}
});

}

接着随便创建一个 API 控制器

namespace JwtAudience.Controllers
{
[Route("api/[controller]")]
public class ValuesController : Controller
{
// GET api/values
[HttpGet]
[Authorize]
public IEnumerable<string> Get()
{
return new string[] { "value1", "value2" };
}

}
}

首先编译一下应用服务器,但是不要急着运行。因为应用服务器验证 Token 是需要公钥的,所以现在去之前的签发服务器的 build 目录



可以看到生成了两个json文件,将其中的 key.public.json 拷贝到应用服务器的对应的目录下面,然后运行应用服务器。

如果我们直接访问应用服务器的 API,就会被挡在外面:



所以现在去把之前拿到的 token 复制出来,然后给这个请求加个请求头——Authorization

值是
Bearer 你的Token




这样,基本的身份验证就完成了~

有兴趣的话还可以把这个 Token 放在前面提到的用来调试 Jwt 网站上,我的 Token 的解析结果是:



这里面的 iss 指的就是签发者,aud 指的是接收者,对于我们的应用服务器来说,这两个参数错了任意一个都将无法通过验证(这里就不演示了,等会儿会有测试代码~)

真的足够安全?

至此,我们已经把 Jwt 的身份认证基本实现了,但是仔细想想,却发现存在一个很严重的问题————用户的 Token 在过期时间之内根本无法手动设置失效,随之而来的还有重放攻击等等问题!

Jwt官方也没有提供很好的应对方法,现在就只有一条路可以走,就是把失效的 Token 加入黑名单。只要能够让 Token 失效,之后应对这些安全问题就只是策略上的选择。

在 Jwt 的官方说明中,
jti
这个参数就是用来标识 Token 的。所以,让一个 Token 失效只需要把这个 Token 中的
jti
加入应用服务器的数据库的黑名单就好了。

得益于微软对 Identity 良好的设计,我们可以很容易的拓展默认的 Jwt 认证规则

首先创建一个 ValidJtiRequirement 类

public class ValidJtiRequirement : IAuthorizationRequirement
{
}

嗯,他的结构就是这么简单。。。

然后创建一个用来验证这个 Requirement 的 ValidJtiHandler

public class ValidJtiHandler : AuthorizationHandler<ValidJtiRequirement>
{
private readonly AudienceDbContext _dbContext;

public ValidJtiHandler(AudienceDbContext dbContext)
{
_dbContext = dbContext;
}
protected override Task HandleRequirementAsync(AuthorizationHandlerContext context, ValidJtiRequirement requirement)
{
// 检查 Jti 是否存在
var jti = context.User.FindFirst("jti")?.Value;
if (jti == null)
{
context.Fail(); // 显式的声明验证失败
return Task.CompletedTask;
}

// 检查 jti 是否在黑名单
var tokenExists = _dbContext.BlackRecords.Any(r => r.Jti == jti);
if (tokenExists)
{
context.Fail();
}
else
{
context.Succeed(requirement); // 显式的声明验证成功
}
return Task.CompletedTask;

}
}

最后,稍微的修改一下注册服务时的代码

services.AddAuthorization(auth =>
{
auth.AddPolicy("Bearer", new AuthorizationPolicyBuilder()
.AddAuthenticationSchemes(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme)
.RequireAuthenticatedUser()
.AddRequirements(new ValidJtiRequirement()) // 添加上面的验证要求
.Build());
});
// 注册验证要求的处理器,可通过这种方式对同一种要求添加多种验证
services.AddSingleton<IAuthorizationHandler, ValidJtiHandler>();

最后再来提供一个使 Token 失效的 API

namespace JwtAudience.Controllers
{
[Route("api/[controller]")]
public class TokenController : Controller
{
private readonly AudienceDbContext _dbContext;

public TokenController(AudienceDbContext dbContext)
{
_dbContext = dbContext;
}

[HttpGet]
public IActionResult Get() => Json(_dbContext.BlackRecords);

/// <summary>
/// 使用户的 Token 失效
/// </summary>
/// <returns></returns>
[Authorize("Bearer")]
[HttpDelete]
public IActionResult Delete()
{
// 从 payload 中提取 jti 字段
var jti = User.FindFirst("jti")?.Value;
var userId = User.FindFirst(ClaimTypes.NameIdentifier)?.Value;
if (jti == null)
{
HttpContext.Response.StatusCode = 400;
return Json(new { Result = false });
}
// 把这个 jti 加入数据库
_dbContext.BlackRecords.Add(new BlackRecord { Jti = jti, UserId = userId });
_dbContext.SaveChanges();
return Json(new {Result = true});
}
}
}

这里需要注意的是,因为拓展了默认的验证策略,所以需要在
Authorize
这个特性钦定使用
Bearer
策略:

[Authorize("Bearer")]

但是这样就容易在编码的时候出现拼写错误,所以来创建一个继承自这个特性的
BearerAuthorize
类。

namespace JwtAudience
{
/// <summary>
/// Jwt 验证
/// </summary>
public class BearerAuthorizeAttribute : AuthorizeAttribute
{
public BearerAuthorizeAttribute() : base("Bearer") { }
}
}

现在我们就可以使用
[BearerAuthorize]
来替代
[Authorize]


至此,使 token 失效的能力就具备了。

然后附带一份测试代码,用来检验认证过程是否符合我们的预期:

https://coding.net/u/zeeko/p/JwtApplication/git/blob/master/Test/Test.cs

升级到 Asp.Net Core 2.0 (2017/08/29)

花了一天时间来把项目升级到 2.0,并不是因为 API 变化很大,而是之前的 bug 有些多,修起来有些慢。

首先要升级 Program.cs 里面的
Main
函数:

public class Program
{
public static void Main(string[] args)
{
BuildWebHost(args).Run();
}

public static IWebHost BuildWebHost(string[] args) =>
WebHost.CreateDefaultBuilder(args)
.UseStartup<Startup>()
.Build();
}

看起来更简短了一些。

接下来升级认证配置,按照官方的说明,所有的
app.UseXxxAuthentication
方法都变成了
service.AddAuthentication(XxxSchema).AddXxx()
,所以改动不是很大:

JwtIssuer/Startup.cs/ConfigureServices

services.AddAuthentication().AddJwtBearer(jwtOptions =>
{
jwtOptions.TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
{
IssuerSigningKey = _tokenOptions.Key,
ValidAudience = _tokenOptions.Audience,
ValidIssuer = _tokenOptions.Issuer,
ValidateLifetime = true
};
});

JwtAudience/Startup.cs/ConfigureServices

services.AddAuthentication().AddJwtBearer(jwtOptions =>
{
jwtOptions.TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
{
IssuerSigningKey = _tokenOptions.Key,
ValidAudience = _tokenOptions.Audience,
ValidIssuer = _tokenOptions.Issuer,
ValidateLifetime = true
};
});

至此,需要升级的地方就修改好了,但是到目前为止还是无法运行,因为有些在 1.0 里面没有严格检验的地方开始报错了。

第一个地方是
ValidJtiHandler
,之前在注册的时候,生命周期选的是单例并没有报错,但是因为这个类依赖了一个生命周期是 Scoped 的对象——
AudienceDbContext
,这会引发一个异常,解决方法是把
ValidJtiHandler
也改成 Scoped:

services.AddScoped<IAuthorizationHandler, ValidJtiHandler>();

第二个地方是
RSAParameters
在 2.x 里面,它的私钥属性不能被 Json.Net 序列化,解决方法也很简单,加一个对应的类似 DTO 的类:

class RsaParameterStorage
{
public byte[] D { get; set; }
public byte[] DP { get; set; }
public byte[] DQ { get; set; }
public byte[] Exponent { get; set; }
public byte[] InverseQ { get; set; }
public byte[] Modulus { get; set; }
public byte[] P { get; set; }
public byte[] Q { get; set; }
}

然后在导出私钥前将
RSAParameters
映射成一个
RsaParameterStorage
对象,然后使用 Json.Net 来序列化,映射使用的是我自己写的一个 Mapper(所以升级项目只花了几十分钟,调教 Mapper 花了一天),代码更改如下:

// 转换成 json 字符串
static string ToJsonString(this RSAParameters parameters)
{
var content = parameters.Map().To<RsaParameterStorage>();
return JsonConvert.SerializeObject(content);
}

// 从文件中读取
keyParameters = JsonConvert.DeserializeObject<RsaParameterStorage>(File.ReadAllText(filePath)).Map().To<RSAParameters>();
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