ASP.NET Core 使用 JWT 搭建分布式无状态身份验证系统

2021-12-14 04:13:51

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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