【.NET Core项目实战-统一认证平台】第十二章 授权篇-深入理解JWT生成及验证流程

【.NET Core项目实战-统一认证平台】开篇及目录索引

上篇文章介绍了基于Ids4密码授权模式,从使用场景、原理分析、自定义帐户体系集成完整的介绍了密码授权模式的内容,并最后给出了三个思考问题,本篇就针对第一个思考问题详细的讲解下Ids4是如何生成access_token的,如何验证access_token的有效性,最后我们使用.net webapi来实现一个外部接口(本来想用JAVA来实现的,奈何没学好,就当抛砖引玉吧,有会JAVA的朋友根据我写的案例使用JAVA来实现一个案例)。

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一、JWT简介

  1. 什么是JWT?

    JSON Web Token (JWT)是一个开放标准(RFC 7519),它定义了一种紧凑的、自包含的方式,用于作为JSON对象在各方之间安全地传输信息。该信息可以被验证和信任,因为它是数字签名的。

  2. 什么时候使用JWT?

1)、认证,这是比较常见的使用场景,只要用户登录过一次系统,之后的请求都会包含签名出来的token,通过token也可以用来实现单点登录。

2)、交换信息,通过使用密钥对来安全的传送信息,可以知道发送者是谁、放置消息是否被篡改。

  1. JWT的结构是什么样的?

JSON Web Token由三部分组成,它们之间用圆点(.)连接。这三部分分别是:

  • Header
  • Payload
  • Signature

Header

header典型的由两部分组成:token的类型(“JWT”)和算法名称(比如:HMAC SHA256或者RSA等等)。

例如:

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

然后,用Base64对这个JSON编码就得到JWT的第一部分

Payload

JWT的第二部分是payload,它包含声明(要求)。声明是关于实体(通常是用户)和其他数据的声明。声明有三种类型: registered, public 和 private。

  • Registered claims : 这里有一组预定义的声明,它们不是强制的,但是推荐。比如:iss (issuer), exp (expiration time), sub (subject), aud (audience)等。
  • Public claims : 可以随意定义。
  • Private claims : 用于在同意使用它们的各方之间共享信息,并且不是注册的或公开的声明。

下面是一个例子:

{
"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": "541869544@qq.com",
"mobile": "13888888888",
"scope": [
"mpc_gateway",
"offline_access"
],
"amr": [
"pwd"
]
}

对payload进行Base64编码就得到JWT的第二部分

注意,不要在JWT的payload或header中放置敏感信息,除非它们是加密的。

Signature

为了得到签名部分,你必须有编码过的header、编码过的payload、一个秘钥,签名算法是header中指定的				那个,然对它们签名即可。

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

签名是用于验证消息在传递过程中有没有被更改,并且,对于使用私钥签名的token,它还可以验证JWT的发送方是否为它所称的发送方。

二、IdentityServer4是如何生成jwt的?

在了解了JWT的基本概念介绍后,我们要知道JWT是如何生成的,加密的方式是什么,我们如何使用自己的密钥进行加密。

IdentityServer4的加密方式?

Ids4目前使用的是RS256非对称方式,使用私钥进行签名,然后客户端通过公钥进行验签。可能有的人会问,我们在生成Ids4时,也没有配置证书,为什么也可以运行起来呢?这里就要讲解证书的使用,以及Ids4使用证书的加密流程。

1、加载证书

Ids4默认使用临时证书来进行token的生成,使用代码 .AddDeveloperSigningCredential(),这里会自动给生成tempkey.rsa证书文件,所以项目如果使用默认配置的根目录可以查看到此文件,实现代码如下:

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);
}
}

这也就可以理解为什么没有配置证书也一样可以使用了。

注意:在生产环境我们最好使用自己配置的证书。

如果我们已经有证书了,可以使用如下代码实现,至于证书是如何生成的,网上资料很多,这里就不介绍了。

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

然后注入证书相关信息,代码如下:

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

后面就可以在项目里使用证书的相关操作了,比如加密、验签等。

2、使用证书加密

上篇我介绍了密码授权模式,详细的讲解了流程,当所有信息校验通过,Claim生成完成后,就开始生成token了,核心代码如下。

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));
}
//使用配置的证书生成JWT头部
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)
{//如果证书过期提示
Logger.LogWarning("Certificate {subjectName} has expired on {expiration}", cert.Subject, cert.NotAfter.ToString(CultureInfo.InvariantCulture));
}
header["x5t"] = Base64Url.Encode(cert.GetCertHash());
} return header;
}
//生成内容
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;
}
}
//生成最终的Token
protected virtual Task<string> CreateJwtAsync(JwtSecurityToken jwt)
{
var handler = new JwtSecurityTokenHandler();
return Task.FromResult(handler.WriteToken(jwt));
}

知道了这些原理后,我们就能清楚的知道access_token都放了那些东西,以及我们可以如何来验证生成的Token

三、如何验证access_token的有效性?

知道了如何生成后,最主要的目的还是要直接我们服务端是如何来保护接口安全的,为什么服务端只要加入下代码就能够保护配置的资源呢?

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

在理解这个前,我们需要了解系统做的验证流程,这里使用一张图可以很好的理解流程了。

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看完后是不是豁然开朗?这里就可以很好的理解/.well-known/openid-configuration/jwks原来就是证书的公钥信息,是通过访问/.well-known/openid-configuration暴露给所有的客户端使用,安全性是用过非对称加密的原理保证,私钥加密的信息,公钥只能验证,所以也不存在密钥泄漏问题。

虽然只是短短的几句代码,就做了那么多事情,这说明Ids4封装的好,减少了我们很多编码工作。这是有人会问,那如果我们的项目不是.netcore的,那如何接入到网关呢?

网上有一个Python例子,用 Identity Server 4 (JWKS 端点和 RS256 算法) 来保护 Python web api.

本来准备使用Java来实现,好久没摸已经忘了怎么写了,留给会java的朋友实现吧,原理都是一样。

下面我就已webapi为例来开发服务端接口,然后使用Ids4来保护接口内容。

新建一个webapi项目,项目名称Czar.AuthPlatform.WebApi,为了让输出的结果为json,我们需要在WebApiConfig增加config.Formatters.Remove(config.Formatters.XmlFormatter);代码,然后修改默认的控制器ValuesController,修改代码如下。

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

为了保护api安全,我们需要增加一个身份验证过滤器,实现代码如下。

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>
/// 认证服务器地址
/// </summary>
private string issUrl = "";
/// <summary>
/// 保护的API名称
/// </summary>
private string apiName = ""; public Ids4AuthAttribute(string IssUrl,string ApiName)
{
issUrl = IssUrl;
apiName = ApiName;
}
/// <summary>
/// 重写验证方式
/// </summary>
/// <param name="actionContext"></param>
public override void OnAuthorization(HttpActionContext actionContext)
{
try
{
var access_token = actionContext.Request.Headers.Authorization?.Parameter; //获取请求的access_token
if (String.IsNullOrEmpty(access_token))
{//401
actionContext.Response = actionContext.Request.CreateResponse(HttpStatusCode.Unauthorized);
actionContext.Response.Content = new StringContent("{\"errcode\":401,\"errmsg\":\"未授权\"}");
}
else
{//开始验证请求的Token是否合法
//1、获取公钥
var httpclient = new HttpClient();
var jwtKey= httpclient.GetStringAsync(issUrl + "/.well-known/openid-configuration/jwks").Result;
//可以在此处缓存jwtkey,不用每次都获取。
var Ids4keys = JsonConvert.DeserializeObject<Ids4Keys>(jwtKey);
var jwk = Ids4keys.keys;
var parameters = new TokenValidationParameters
{ //可以增加自定义的验证项目
ValidIssuer = issUrl,
IssuerSigningKeys = jwk ,
ValidateLifetime = true,
ValidAudience = apiName
};
var handler = new JwtSecurityTokenHandler();
//2、使用公钥校验是否合法,如果验证失败会抛出异常
var id = handler.ValidateToken(access_token, parameters, out var _);
//请求的内容保存
actionContext.RequestContext.Principal = id;
}
}
catch(Exception ex)
{
actionContext.Response = actionContext.Request.CreateResponse(HttpStatusCode.Unauthorized);
actionContext.Response.Content = new StringContent("{\"errcode\":401,\"errmsg\":\"未授权\"}");
}
}
} public class Ids4Keys
{
public JsonWebKey[] keys { get; set; }
}
}

代码非常简洁,就实现了基于Ids4的访问控制,现在我们开始使用PostMan来测试接口地址。

我们直接请求接口地址,返回401未授权。

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然后我使用Ids4生成的access_token再次测试,可以得到我们预期结果。

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为了验证是不是任何地方签发的token都可以通过验证,我使用其他项目生成的access_token来测试,发现提示的401未授权,可以达到我们预期结果。

【.NET Core项目实战-统一认证平台】第十二章 授权篇-深入理解JWT生成及验证流程

现在就可以开心的使用我们熟悉的webapi开发我们的接口了,需要验证的地方增加类似[Ids4Auth("http://localhost:6611", "mpc_gateway")]代码即可。

使用其他语言实现的原理基本一致,就是公钥来验签,只要通过验证证明是允许访问的请求,由于公钥一直不变(除非认证服务器更新了证书),所以我们请求到后可以缓存到本地,这样验签时可以省去每次都获取公钥这步操作。

四、总结

本篇我们介绍了JWT的基本原理和Ids4JWT实现方式,然后使用.NET webapi实现了使用Ids4保护接口,其他语言实现方式一样,这样我们就可以把网关部署后,后端服务使用任何语言开发,然后接入到网关即可。

有了这些知识点,感觉是不是对Ids4的理解更深入了呢?JWT确实方便,但是有些特殊场景是我们希望Token在有效期内通过人工配置的方式立即失效,如果按照现有Ids4验证方式是没有办法做到,那该如何实现呢?我将会在下一篇来介绍如何实现强制token失效,敬请期待吧。

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