往講使用 spring security 等具體技術(shù)的資料已經(jīng)很多了，筆者這篇文章不打算寫框架和代碼的具體實(shí)現(xiàn)，而是會(huì)討論認(rèn)證和授權(quán)的區(qū)別。然后會(huì)介紹一些被業(yè)界廣泛采用的技術(shù)，最后會(huì)聊聊：怎么為 API 構(gòu)建選擇合適的認(rèn)證方式？

在一些互聯(lián)網(wǎng)公司的面試中，面試官往往會(huì)問這樣一個(gè)問題：“如果禁用瀏覽器 cookie，如何實(shí)現(xiàn)用戶追蹤和認(rèn)證？”

遺憾的是：依然有大量候選人答非所問，無法搞清楚 cookie 和 session 之間的區(qū)別。

而在工作中也有讓人驚訝的真實(shí)案例：把 user ID 存儲(chǔ)到 local storage 中當(dāng)做 token 使用，原因是他們聲稱棄用了 cookie 這種落后的東西；一個(gè)移動(dòng)端項(xiàng)目，服務(wù)器給出的 API 中需要客戶端模擬一個(gè) cookie，從而像瀏覽器中 ajax 那樣消費(fèi) API。

互聯(lián)網(wǎng)是基于 HTTP 協(xié)議構(gòu)建的，而 HTTP 協(xié)議因?yàn)楹唵瘟餍虚_來，但是 HTTP 協(xié)議是無狀態(tài)（通信層面上虛電路比數(shù)據(jù)報(bào)昂貴太多）的。為此人們?yōu)榱俗粉櫽脩粝氤隽烁鞣N辦法，包括 ：cookie/session 機(jī)制、token、flash 跨瀏覽器 cookie 甚至瀏覽器指紋等。

把用戶身份藏在每一個(gè)地方（瀏覽器指紋技術(shù)甚至不需要存儲(chǔ)介質(zhì)）

認(rèn)證、授權(quán)、憑證

首先，認(rèn)證和授權(quán)是兩個(gè)不同的概念，為了讓我們的 API 更加安全和具有清晰的設(shè)計(jì)，理解認(rèn)證和授權(quán)的不同就非常有必要了，它們在英文中也是不同的單詞。

認(rèn)證：是 authentication，指的是當(dāng)前用戶的身份——當(dāng)用戶登陸過后系統(tǒng)便能追蹤到他的身份做出符合相應(yīng)業(yè)務(wù)邏輯的操作。

即使用戶沒有登錄，大多數(shù)系統(tǒng)也會(huì)追蹤他的身份，只是當(dāng)做來賓或者匿名用戶來處理。認(rèn)證技術(shù)解決的是 “我是誰？”的問題。

授權(quán)：與認(rèn)證不同，授權(quán)是 authorization，指的是什么樣的身份被允許訪問某些資源，在獲取到用戶身份后繼續(xù)檢查用戶的權(quán)限。

單一的系統(tǒng)授權(quán)往往是伴隨認(rèn)證來完成的，但是在開放 API 的多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，授權(quán)可以由不同的系統(tǒng)來完成，例如 OAuth。授權(quán)技術(shù)是解決“我能做什么？”的問題。

實(shí)現(xiàn)認(rèn)證和授權(quán)的基礎(chǔ)是需要一種媒介（credentials）來標(biāo)記訪問者的身份或權(quán)利，在現(xiàn)實(shí)生活中每個(gè)人都需要一張身份證才能訪問自己的銀行賬戶、結(jié)婚和辦理養(yǎng)老保險(xiǎn)等，這就是認(rèn)證的憑證。

在古代軍事活動(dòng)中，皇帝會(huì)給出戰(zhàn)的將軍頒發(fā)兵符，下級(jí)將領(lǐng)不關(guān)心持有兵符的人，只需要執(zhí)行兵符對應(yīng)的命令即可。在互聯(lián)網(wǎng)世界中，服務(wù)器為每一個(gè)訪問者頒發(fā) session ID 存放到 cookie，這就是一種憑證技術(shù)。

數(shù)字憑證還表現(xiàn)在方方面面：SSH 登錄的密匙、JWT 令牌、一次性密碼等。

用戶賬戶也不一定是存放在數(shù)據(jù)庫中的一張表，在一些企業(yè) IT 系統(tǒng)中，對賬戶管理和權(quán)限有了更多的要求。所以，賬戶技術(shù) （accounting）可以幫助我們使用不同的方式管理用戶賬戶，同時(shí)具有不同系統(tǒng)之間共享賬戶的能力，例如：微軟的活動(dòng)目錄（AD），以及簡單目錄訪問協(xié)議（LDAP），甚至區(qū)塊鏈技術(shù)。

還有一個(gè)重要的概念是：訪問控制策略（AC）。如果我們需要把資源的權(quán)限劃分到一個(gè)很細(xì)的粒度，就不得不考慮用戶以何種身份來訪問受限的資源，選擇基于訪問控制列表（ACL）還是基于用戶角色的訪問控制（RBAC）或者其他訪問控制策略。

在流行的技術(shù)和框架中，這些概念都無法孤立的被實(shí)現(xiàn)，因此在現(xiàn)實(shí)中使用這些技術(shù)時(shí)，大家往往為一個(gè) OAuth2 是認(rèn)證還是授權(quán)這種概念爭論不休。

為了容易理解，我在文末附上了一份常見技術(shù)和概念的術(shù)語表。

下面，我會(huì)介紹在API開發(fā)中常常使用的幾種認(rèn)證和授權(quán)技術(shù)：HTTP Basic AUthentication、HAMC、OAuth2，以及憑證技術(shù)JWT token。

HTTP Basic Authentication

你一定用過這種方式，但不一定知道它是什么。

在不久之前，當(dāng)你訪問一臺(tái)家用路由器的管理界面，往往會(huì)看到一個(gè)瀏覽器彈出表單，要求你輸入用戶密碼。

在這背后，當(dāng)用戶輸入完用戶名密碼后，瀏覽器幫你做了一個(gè)非常簡單的操作:

1. 組合用戶名和密碼然后 Base64 編碼。
2. 給編碼后的字符串添加 Basic 前綴，然后設(shè)置名稱為 Authorization 的 header 頭部。

API 也可以非常簡單的提供 HTTP Basic Authentication 認(rèn)證方式，那么客戶端可以很簡單通過 Base64 傳輸用戶名和密碼即可：。

1. 將用戶名和密碼使用冒號(hào)連接，例如 ：username:abc123456。
2. 為了防止用戶名或者密碼中存在超出 ASCII 碼范圍的字符，推薦使用UTF-8編碼。
3. 將上面的字符串使用 Base 64 編碼，例如：dXNlcm5hbWU6YWJjMTIzNDU2。
4. 在 HTTP 請求頭中加入 “Basic + 編碼后的字符串”——即：Authorization: Basic QWxhZGRpbjpPcGVuU2VzYW1l。

這種方式實(shí)現(xiàn)起來非常簡單，在大量場景下被采用。

當(dāng)然缺點(diǎn)也很明顯，Base64 只能稱為編碼，而不是加密 (實(shí)際上，無需配置密匙的客戶端并沒有任何可靠地加密方式，我們都依賴 TSL 協(xié)議)。

這種方式的致命弱點(diǎn)是：編碼后的密碼，如果明文傳輸則容易在網(wǎng)絡(luò)傳輸中泄露，在密碼不會(huì)過期的情況下，密碼一旦泄露，只能通過修改密碼的方式。

HMAC（AK/SK）認(rèn)證

在我們對接一些 PASS 平臺(tái)和支付平臺(tái)時(shí)，會(huì)要求我們預(yù)先生成一個(gè) access key（AK） 和 secure key（SK），然后通過簽名的方式完成認(rèn)證請求。這種方式可以避免傳輸 secure key，且大多數(shù)情況下簽名只允許使用一次，避免了重放攻擊。

這種基于 AK/SK 的認(rèn)證方式主要是利用散列的消息認(rèn)證碼 (Hash-based MessageAuthentication Code) 來實(shí)現(xiàn)的。因此，有很多地方叫 HMAC 認(rèn)證，實(shí)際上不是非常準(zhǔn)確。

HMAC 只是利用帶有 key 值的哈希算法生成消息摘要，在設(shè)計(jì) API 時(shí)有具體不同的實(shí)現(xiàn)。

HMAC 在作為網(wǎng)絡(luò)通信的認(rèn)證設(shè)計(jì)中作為憑證生成算法使用，避免了口令等敏感信息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

基本過程如下：

1. 客戶端需要在認(rèn)證服務(wù)器中預(yù)先設(shè)置 access key（AK 或叫 app ID） 和 secure key（SK）。
2. 在調(diào)用 API 時(shí)，客戶端需要對參數(shù)和 access key 進(jìn)行自然排序后并使用 secure key 進(jìn)行簽名生成一個(gè)額外的參數(shù) digest。
3. 服務(wù)器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的 secure key 進(jìn)行同樣的摘要計(jì)算，并要求結(jié)果完全一致。
4. 注意 secure key 不能在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，以及在不受信任的位置存放（瀏覽器等）。

為了讓每一次請求的簽名變得獨(dú)一無二，從而實(shí)現(xiàn)重放攻擊，我們需要在簽名時(shí)放入一些干擾信息。

在業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)中有兩種典型的做法，質(zhì)疑/應(yīng)答算法（OCRA: OATH Challenge-Response Algorithm）、基于時(shí)間的一次性密碼算法（TOTP：Time-based One-time Password Algorithm）。

1. 質(zhì)疑/應(yīng)答算法

質(zhì)疑/應(yīng)答算法需要客戶端先請求一次服務(wù)器，獲得一個(gè) 401 未認(rèn)證的返回，并得到一個(gè)隨機(jī)字符串（nonce）。

將 nonce 附加到按照上面說到的方法進(jìn)行 HMAC 簽名，服務(wù)器使用預(yù)先分配的 nonce 同樣進(jìn)行簽名校驗(yàn)，這個(gè) nonce 在服務(wù)器只會(huì)被使用一次，因此可以提供唯一的摘要。

2. 基于時(shí)間的一次性密碼認(rèn)證

為了避免額外的請求來獲取 nonce，還有一種算法是使用時(shí)間戳，并且通過同步時(shí)間的方式協(xié)商到一致，在一定的時(shí)間窗口內(nèi)有效（1分鐘左右）。

這里的只是利用時(shí)間戳作為驗(yàn)證的時(shí)間窗口，并不能嚴(yán)格的算作基于時(shí)間的一次性密碼算法。

標(biāo)準(zhǔn)的基于時(shí)間的一次性密碼算法在兩步驗(yàn)證中被大量使用，例如：Google 身份驗(yàn)證器不需要網(wǎng)絡(luò)通信也能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證（但依賴準(zhǔn)確的授時(shí)服務(wù)）。

原理是：客戶端服務(wù)器共享密鑰然后根據(jù)時(shí)間窗口能通過 HMAC 算法計(jì)算出一個(gè)相同的驗(yàn)證碼。

TOTP 基本原理和常見廠商

OAuth2 和 Open ID

OAuth（開放授權(quán)）是一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，允許用戶授權(quán)第三方網(wǎng)站訪問他們存儲(chǔ)在另外的服務(wù)提供者上的信息，而不需要將用戶名和密碼提供給第三方網(wǎng)站或分享他們數(shù)據(jù)的所有內(nèi)容。

OAuth 是一個(gè)授權(quán)標(biāo)準(zhǔn)，而不是認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。提供資源的服務(wù)器不需要知道確切的用戶身份（session），只需要驗(yàn)證授權(quán)服務(wù)器授予的權(quán)限（token）即可。

上圖只是 OAuth 的一個(gè)簡化流程，OAuth 的基本思路就是通過授權(quán)服務(wù)器獲取 access token 和 refresh token（refresh token 用于重新刷新access token），然后通過 access token 從資源服務(wù)器獲取數(shù)據(jù) 。

在特定的場景下還有下面幾種模式：

1. 授權(quán)碼模式（authorization code）
2. 簡化模式（implicit）
3. 密碼模式（resource owner password credentials）
4. 客戶端模式（client credentials）

如果需要獲取用戶的認(rèn)證信息，OAuth 本身沒有定義這部分內(nèi)容，如果需要識(shí)別用戶信息，則需要借助另外的認(rèn)證層，例如： OpenID Connect。

1. 驗(yàn)證 access token

在一些介紹OAuth 的博客中，很少講到：資源服務(wù)器是怎么驗(yàn)證 access token 的？

OAuth core 標(biāo)準(zhǔn)并沒有定義這部分，不過在 OAuth 其他標(biāo)準(zhǔn)文件中提到兩種驗(yàn)證 access token的方式。

1）在完成授權(quán)流程后，資源服務(wù)器可以使用 OAuth 服務(wù)器提供的 Introspection 接口來驗(yàn)證access token，OAuth服務(wù)器會(huì)返回 access token 的狀態(tài)以及過期時(shí)間。

在OAuth標(biāo)準(zhǔn)中驗(yàn)證 token 的術(shù)語是 Introspection。同時(shí)，也需要注意 access token 是用戶和資源服務(wù)器之間的憑證，不是資源服務(wù)器和授權(quán)服務(wù)器之間的憑證。資源服務(wù)器和授權(quán)服務(wù)器之間應(yīng)該使用額外的認(rèn)證（例如：Basic 認(rèn)證）。

2）使用 JWT 驗(yàn)證：授權(quán)服務(wù)器使用私鑰簽發(fā) JWT 形式的 access token，資源服務(wù)器需要使用預(yù)先配置的公鑰校驗(yàn) JWT token，并得到 token 狀態(tài)和一些被包含在 access token 中信息。因此，在 JWT 的方案下，資源服務(wù)器和授權(quán)服務(wù)器不再需要通信，在一些場景下帶來巨大的優(yōu)勢。同時(shí)，JWT 也有一些弱點(diǎn)，我會(huì)在JWT 的部分解釋。

2. refresh token 和 access token

幾乎所有人剛開始了解 OAuth 時(shí)都有一個(gè)一疑問：為什么已經(jīng)有了 access token 還需要 refresh token 呢？

授權(quán)服務(wù)器會(huì)在第一次授權(quán)請求時(shí)，一起返回 access token 和refresh token，在后面刷新 access token 時(shí)只需要 refresh token。

access token 和 refresh token 的設(shè)計(jì)意圖是不一樣的，access token 被設(shè)計(jì)用來客戶端和資源服務(wù)器之間交互，而 refresh token 是被設(shè)計(jì)用來客戶端和授權(quán)服務(wù)器之間交互。

某些授權(quán)模式下， access token 需要暴露給瀏覽器，充當(dāng)一個(gè)資源服務(wù)器和瀏覽器之間的臨時(shí)會(huì)話，瀏覽器和資源服務(wù)器之間不存在簽名機(jī)制，access token 成為唯一憑證。因此，access token 的過期時(shí)間（TTL）應(yīng)該盡量短，從而避免用戶的 access token 被嗅探攻擊。

由于要求 access token 時(shí)間很短，refresh token 可以幫助用戶維護(hù)一個(gè)較長時(shí)間的狀態(tài)，避免頻繁重新授權(quán)。

大家會(huì)覺得讓 access token 保持一個(gè)長的過期時(shí)間不就可以了嗎？

實(shí)際上，refresh token 和 access token 的不同之處在于：即使 refresh token 被截獲，系統(tǒng)依然是安全的，客戶端拿著 refresh token 去獲取 access token 時(shí)，同時(shí)需要預(yù)先配置的 secure key，客戶端和授權(quán)服務(wù)器之前始終存在安全的認(rèn)證。

3. OAuth、Open ID、OpenID Connect

認(rèn)證方面的術(shù)語實(shí)在太多，我在搭建自己的認(rèn)證服務(wù)器或接入第三方認(rèn)證平臺(tái)時(shí)，有時(shí)候到完成開發(fā)工作的最后一刻都無法理解這些術(shù)語。

OAuth 負(fù)責(zé)解決分布式系統(tǒng)之間的授權(quán)問題，即使有時(shí)候客戶端和資源服務(wù)器或者認(rèn)證服務(wù)器存在同一臺(tái)機(jī)器上。OAuth 沒有解決認(rèn)證的問題，但提供了良好的設(shè)計(jì)利于和現(xiàn)有的認(rèn)證系統(tǒng)對接。

Open ID 解決的問題是：分布式系統(tǒng)之間身份認(rèn)證問題，使用Open ID token 能在多個(gè)系統(tǒng)之間驗(yàn)證用戶，以及返回用戶信息，可以獨(dú)立使用，與 OAuth 沒有關(guān)聯(lián)。

OpenID Connect 解決的是：在 OAuth 這套體系下的用戶認(rèn)證問題，實(shí)現(xiàn)的基本原理是將用戶的認(rèn)證信息（ID token）當(dāng)做資源處理。在 OAuth 框架下完成授權(quán)后，再通過 access token 獲取用戶的身份。

這三個(gè)概念之間的關(guān)系有點(diǎn)難以理解，用現(xiàn)實(shí)場景來說：如果系統(tǒng)中需要一套獨(dú)立的認(rèn)證系統(tǒng)，并不需要多系統(tǒng)之間的授權(quán)可以直接采用 Open ID。

如果使用了 OAuth 作為授權(quán)標(biāo)準(zhǔn)，可以再通過 OpenID Connect 來完成用戶的認(rèn)證。

JWT

在 OAuth 等分布式的認(rèn)證、授權(quán)體系下，對憑證技術(shù)有了更多的要求，比如：包含用戶 ID、過期等信息，不需要再外部存儲(chǔ)中關(guān)聯(lián)。

因此，業(yè)界對 token 做了進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種自包含令牌，令牌簽發(fā)后無需從服務(wù)器存儲(chǔ)中檢查是否合法，通過解析令牌就能獲取令牌的過期、有效等信息，這就是JWT （JSON Web Token）。

JWT 是一種包含令牌（self-contained token），或者叫值令牌 （value token），我們以前使用關(guān)聯(lián)到 session 上的 hash 值被叫做引用令牌（reference token）。

簡而言之，一個(gè)基本的JWT令牌為一段點(diǎn)分3段式結(jié)構(gòu)。

生成JWT 令牌的流程為：

1. header json 的 base64 編碼為令牌第一部分。
2. payload json 的 base64 編碼為令牌第二部分。
3. 拼裝第一、第二部分編碼后的 json 以及 secret 進(jìn)行簽名的令牌的第三部分。

因此，只需要簽名的 secret key 就能校驗(yàn) JWT 令牌，如果在消息體中加入用戶 ID、過期信息就可以實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證令牌是否有效、過期了，無需從數(shù)據(jù)庫/緩存中讀取信息。因?yàn)槭褂昧思用芩惴ǎ缘谝弧⒍糠旨词贡恍薷模òㄟ^期信息）也無法通過驗(yàn)證。

JWT 優(yōu)點(diǎn)是：不僅可以作為 token 使用，同時(shí)也可以承載一些必要信息，省去多次查詢。

注意：

1. JWT token 的第一、二部分只是 base64 編碼，肉眼不可讀，不應(yīng)當(dāng)存放敏感信息。
2. JWT token 的自包含特性，導(dǎo)致了無法被撤回。
3. JWT 的簽名算法可以自己擬定，為了便于調(diào)試，本地環(huán)境可以使用對稱加密算法，生產(chǎn)環(huán)境建議使用非對稱加密算法。

JWT token 在微服務(wù)的系統(tǒng)中優(yōu)勢特別突出：多層調(diào)用的 API 中可以直接傳遞 JWT token，利用自包含的能力，可以減少用戶信息查詢次數(shù)；更重要的是，使用非對稱的加密方式可以通過在系統(tǒng)中分發(fā)密匙的方式驗(yàn)證 JWT token。

當(dāng)然，OAuth 對 access token 等憑證所選用的技術(shù)并沒有做出限制，OAuth 并不強(qiáng)制使用 JWT，在使用 JWT 自包含特性的優(yōu)勢時(shí)，必須考慮到 JWT 撤回困難的問題。在一些對撤回 token 要求很高的項(xiàng)目中不適合使用JWT，即使采用了一些方案實(shí)現(xiàn)（whitelist 和 blacklist）也違背了設(shè)計(jì) JWT 的初衷。

Cookie 、Token in Cookie、Session Token 依然被使用

在構(gòu)建 API 時(shí)，開發(fā)者會(huì)發(fā)現(xiàn)我們的認(rèn)證方式和網(wǎng)頁應(yīng)用有一些不同，除了像 ajax 這種典型的 web 技術(shù)外，如果我們希望 API 是無狀態(tài)的，不推薦使用 Cookie。

使用 Cookie 的本質(zhì)是用戶第一次訪問時(shí)服務(wù)器會(huì)分配一個(gè) Session ID，后面的請求中客戶端都會(huì)帶上這個(gè) ID 作為當(dāng)前用戶的標(biāo)志。因?yàn)?HTTP 本身是無狀態(tài)的，Cookie 屬于一種內(nèi)建于瀏覽器中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的方式。如果我們的 API 是用來給客戶端使用的，強(qiáng)行要求 API 的調(diào)用者管理Cookie 也可以完成任務(wù)。

在一些遺留或者不是標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目中，我們依然可以看到這些做法，快速地實(shí)現(xiàn)認(rèn)證。

1. 使用 cookie，例如 web 項(xiàng)目中 ajax 的方式。
2. 使用 session ID 或 hash 作為 token，但將 token 放入 header 中傳遞。
3. 將生成的 token （可能是JWT）放入 cookie 傳遞，利用 HTTPonly 和 Secure 標(biāo)簽保護(hù) token。

選擇合適的認(rèn)證方式

隨著微服務(wù)的發(fā)展，API 的設(shè)計(jì)不僅僅是面向 WEB 或者 Mobile APP，還有BFF（Backend for Frontend）和 Domain API 的認(rèn)證，以及第三方服務(wù)的集成。

客戶端到服務(wù)器之間認(rèn)證和服務(wù)器到服務(wù)器之間認(rèn)證是不同的。

我們把終端用戶（Human）參與的通信，叫做 Human-to-machine (H2M)，服務(wù)器與服務(wù)器之間的通信叫做 Machine-to-machine (M2M)。

H2M 的通信需要更高的安全性，M2M 的通信天然比 H2M 安全，因此更多的強(qiáng)調(diào)性能，在不同的場合下選擇合適的認(rèn)證技術(shù)就顯得特別重要。例如： HTTP Basic Authentication 用來作為 H2M 認(rèn)證顯得有些落后，但是在 M2M 中被大量使用。

另外值得一提的是：H2M 這種通信方式下，客戶端不受控制，由于無法自主分發(fā)密匙，認(rèn)證通信的安全高度依賴 HTTPS。

從一個(gè)宏觀的角度看待他們的關(guān)系，對我們技術(shù)選型非常有幫助。

術(shù)語表

1. Browser fingerprinting 通過查詢?yōu)g覽器的代理字符串，屏幕色深，語言等，然后這些值通過散列函數(shù)傳遞產(chǎn)生指紋，不需要通過 Cookie 就可以識(shí)別瀏覽器。
2. MAC（Message authentication code） 在密碼學(xué)中，訊息鑒別碼，是經(jīng)過特定算法后產(chǎn)生的一小段資訊，檢查某段訊息的完整性。
3. HOTP（HMAC-based One-time Password algorithm）基于散列消息驗(yàn)證碼的一次性密碼算法。
4. Two-step verification 是一種認(rèn)證方法，使用兩種不同的元素，合并在一起，來確認(rèn)使用者的身份，是多因素驗(yàn)證中的一個(gè)特例。
5. OTP （One time password ）一次性密碼，例如注冊郵件和短信中的認(rèn)證碼。

參考文章

https://swagger.io/docs/specification/authentication/basic-authentication/

[HMAC: Keyed-Hashing for Message Authentication]( “https://www.ietf.org/rfc/rfc2104.txt “)

HOTP: An HMAC-Based One-Time Password Algorithm

OCRA: OATH Challenge-Response Algorithm

The OAuth 2.0 Authorization Framework

JSON Web Token (JWT)

OAuth 2.0

Internet-Draft Archive for OAuth

作者：ThoughtWorks林寧，微信公眾號(hào)：ThoughtWorks洞見

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