深入瞭解 Token 認證的來龍去脈

來自：邊城客棧（微訊號：fancyidea-full）

連結：https://my.oschina.net/jamesfancy/blog/1613994

摘要: Token 是在服務端產生的。如果前端使用使用者名稱/密碼向服務端請求認證，服務端認證成功，那麼在服務端會傳回 Token 給前端。前端可以在每次請求的時候帶上 Token 證明自己的合法地位

不久前，我在在前後端分離實踐中提到了基於 Token 的認證，現在我們稍稍深入一些。

通常情況下，我們在討論某個技術的時候，都是從問題開始。那麼第一個問題：

為什麼要用 Token？

而要回答這個問題很簡單——因為它能解決問題！

可以解決哪些問題呢？

1. Token 完全由應用管理，所以它可以避開同源策略

2. Token 可以避免 CSRF 攻擊(http://dwz.cn/7joLzx)

3. Token 可以是無狀態的，可以在多個服務間共享

Token 是在服務端產生的。如果前端使用使用者名稱/密碼向服務端請求認證，服務端認證成功，那麼在服務端會傳回 Token 給前端。前端可以在每次請求的時候帶上 Token 證明自己的合法地位。如果這個 Token 在服務端持久化（比如存入資料庫），那它就是一個永久的身份令牌。

於是，又一個問題產生了：需要為 Token 設定有效期嗎？

需要設定有效期嗎？

對於這個問題，我們不妨先看兩個例子。一個例子是登入密碼，一般要求定期改變密碼，以防止洩漏，所以密碼是有有效期的；另一個例子是安全證書。SSL 安全證書都有有效期，目的是為瞭解決吊銷的問題，對於這個問題的詳細情況，來看看知乎的回答(http://dwz.cn/7joMhq)。所以無論是從安全的角度考慮，還是從吊銷的角度考慮，Token 都需要設有效期。

那麼有效期多長合適呢？

只能說，根據系統的安全需要，盡可能的短，但也不能短得離譜——想像一下手機的自動熄屏時間，如果設定為 10 秒鐘無操作自動熄屏，再次點亮需要輸入密碼，會不會瘋？如果你覺得不會，那就親自試一試，設定成可以設定的最短時間，堅持一週就好（不排除有人適應這個時間，畢竟手機廠商也是有使用者體驗研究的）。

然後新問題產生了，如果使用者在正常操作的過程中，Token 過期失效了，要求使用者重新登入……使用者體驗豈不是很糟糕？

為瞭解決在操作過程不能讓使用者感到 Token 失效這個問題，有一種方案是在伺服器端儲存 Token 狀態，使用者每次操作都會自動掃清（推遲） Token 的過期時間——Session 就是採用這種策略來保持使用者登入狀態的。然而仍然存在這樣一個問題，在前後端分離、單頁 App 這些情況下，每秒種可能發起很多次請求，每次都去掃清過期時間會產生非常大的代價。如果 Token 的過期時間被持久化到資料庫或檔案，代價就更大了。所以通常為了提升效率，減少消耗，會把 Token 的過期時儲存在快取或者記憶體中。

還有另一種方案，使用 Refresh Token，它可以避免頻繁的讀寫操作。這種方案中，服務端不需要掃清 Token 的過期時間，一旦 Token 過期，就反饋給前端，前端使用 Refresh Token 申請一個全新 Token 繼續使用。這種方案中，服務端只需要在客戶端請求更新 Token 的時候對 Refresh Token 的有效性進行一次檢查，大大減少了更新有效期的操作，也就避免了頻繁讀寫。當然 Refresh Token 也是有有效期的，但是這個有效期就可以長一點了，比如，以天為單位的時間。

時序圖表示

使用 Token 和 Refresh Token 的時序圖如下：

1）登入

2）業務請求

3）Token 過期，掃清 Token

上面的時序圖中並未提到 Refresh Token 過期怎麼辦。不過很顯然，Refresh Token 既然已經過期，就該要求使用者重新登入了。

當然還可以把這個機制設計得更複雜一些，比如，Refresh Token 每次使用的時候，都更新它的過期時間，直到與它的建立時間相比，已經超過了非常長的一段時間（比如三個月），這等於是在相當長一段時間內允許 Refresh Token 自動續期。

到目前為止，Token 都是有狀態的，即在服務端需要儲存並記錄相關屬性。那說好的無狀態呢，怎麼實現？

無狀態 Token

如果我們把所有狀態資訊都附加在 Token 上，伺服器就可以不儲存。但是服務端仍然需要認證 Token 有效。不過只要服務端能確認是自己簽發的 Token，而且其資訊未被改動過，那就可以認為 Token 有效——“簽名”可以作此保證。平時常說的簽名都存在一方簽發，另一方驗證的情況，所以要使用非對稱加密演演算法。但是在這裡，簽發和驗證都是同一方，所以對稱加密演演算法就能達到要求，而對稱演演算法比非對稱演演算法要快得多（可達數十倍差距）。

更進一步思考，對稱加密演演算法除了加密，還帶有還原加密內容的功能，而這一功能在對 Token 簽名時並無必要——既然不需要解密，摘要（雜湊）演演算法就會更快。可以指定密碼的雜湊演演算法，自然是 HMAC。

上面說了這麼多，還需要自己去實現嗎？不用！JWT 已經定義了詳細的規範，而且有各種語言的若干實現。

不過在使用無狀態 Token 的時候在服務端會有一些變化，服務端雖然不儲存有效的 Token 了，卻需要儲存未到期卻已登出的 Token。如果一個 Token 未到期就被使用者主動登出，那麼伺服器需要儲存這個被登出的 Token，以便下次收到使用這個仍在有效期內的 Token 時判其無效。有沒有感到一點沮喪？

在前端可控的情況下（比如前端和服務端在同一個專案組內），可以協商：前端一但登出成功，就丟掉本地儲存（比如儲存在記憶體、LocalStorage 等）的 Token 和 Refresh Token。基於這樣的約定，伺服器就可以假設收到的 Token 一定是沒登出的（因為登出之後前端就不會再使用了）。

如果前端不可控的情況，仍然可以進行上面的假設，但是這種情況下，需要儘量縮短 Token 的有效期，而且必須在使用者主動登出的情況下讓 Refresh Token 無效。這個操作存在一定的安全漏洞，因為使用者會認為已經登出了，實際上在較短的一段時間內並沒有登出。如果應用設計中，這點漏洞並不會造成什麼損失，那採用這種策略就是可行的。

在使用無狀態 Token 的時候，有兩點需要註意：

1. Refresh Token 有效時間較長，所以它應該在伺服器端有狀態，以增強安全性，確保使用者登出時可控

2. 應該考慮使用二次認證來增強敏感操作的安全性

到此，關於 Token 的話題似乎差不多了——然而並沒有，上面說的只是認證服務和業務服務整合在一起的情況，如果是分離的情況呢？

分離認證服務

當 Token 無狀態之後，單點登入就變得容易了。前端拿到一個有效的 Token，它就可以在任何同一體系的服務上認證透過——只要它們使用同樣的金鑰和演演算法來認證 Token 的有效性。就樣這樣：

當然，如果 Token 過期了，前端仍然需要去認證服務更新 Token：

可見，雖然認證和業務分離了，實際即並沒產生多大的差異。當然，這是建立在認證伺服器信任業務伺服器的前提下，因為認證伺服器產生 Token 的金鑰和業務伺服器認證 Token 的金鑰和演演算法相同。換句話說，業務伺服器同樣可以建立有效的 Token。

如果業務伺服器不能被信任，該怎麼辦？

不受信的業務伺服器

遇到不受信的業務伺服器時，很容易想到的辦法是使用不同的金鑰。認證伺服器使用金鑰1簽發，業務伺服器使用金鑰2驗證——這是典型非對稱加密簽名的應用場景。認證伺服器自己使用私鑰對 Token 簽名，公開公鑰。信任這個認證伺服器的業務伺服器儲存公鑰，用於驗證簽名。幸好，JWT 不僅可以使用 HMAC 簽名，也可以使用 RSA（一種非對稱加密演演算法）簽名。

不過，當業務伺服器已經不受信任的時候，多個業務伺服器之間使用相同的 Token 對使用者來說是不安全的。因為任何一個伺服器拿到 Token 都可以仿冒使用者去另一個伺服器處理業務……悲劇隨時可能發生。

為了防止這種情況發生，就需要在認證伺服器產生 Token 的時候，把使用該 Token 的業務伺服器的資訊記錄在 Token 中，這樣當另一個業務伺服器拿到這個 Token 的時候，發現它並不是自己應該驗證的 Token，就可以直接拒絕。

現在，認證伺服器不信任業務伺服器，業務伺服器相互也不信任，但前端是信任這些伺服器的——如果前端不信任，就不會拿 Token 去請求驗證。那麼為什麼會信任？可能是因為這些是同一家公司或者同一個專案中提供的若干服務構成的服務體系。

但是，前端信任不代表使用者信任。如果 Token 不沒有攜帶使用者隱私（比如姓名），那麼使用者不會關心信任問題。但如果 Token 含有使用者隱私的時候，使用者得關心信任問題了。這時候認證服務就不得不再囉嗦一些，當使用者請求 Token 的時候，問上一句，你真的要授權給某某某業務服務嗎？而這個“某某某”，使用者怎麼知道它是不是真的“某某某”呢？使用者當然不知道，甚至認證服務也不知道，因為公鑰已經公開了，任何一個業務都可以宣告自己是“某某某”。

為了得到使用者的信任，認證服務就不得不幫助使用者來甄別業務服務。所以，認證服器決定不公開公鑰，而是要求業務服務先申請註冊並透過審核。只有透過審核的業務伺服器才能得到認證服務為它建立的，僅供它使用的公鑰。如果該業務服務洩漏公鑰帶來風險，由該業務服務自行承擔。現在認證服務可以清楚的告訴使用者，“某某某”服務是什麼了。如果使用者還是不夠信任，認證服務甚至可以問，某某某業務服務需要請求  A、B、C 三項個人資料，其中 A 是必須的，不然它不工作，是否允許授權？如果你授權，我就把你授權的幾項資料加密放在 Token 中……

廢話了這麼多，有沒有似曾相識……對了，這類似開放式 API 的認證過程。開髮式 API 多採用 OAuth 認證，而關於 OAuth 的探討資源非常豐富，這裡就不深究了。

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