Token的身份验证的原理解析

01
六月
2021

目录

1 发展史

2 Cookie

3 Session

3.1 cookie和session的区别

4 Token

4.1 传统方式——基于服务器的验证

4.2 基于服务器验证方式暴露的一些问题

4.3 基于Token的验证原理

4.5 Tokens的优势

参考文献
1 发展史

1、很久很久以前,Web 基本上就是文档的浏览而已, 既然是浏览,作为服务器, 不需要记录谁在某一段时间里都浏览了什么文档,每次请求都是一个新的HTTP协议, 就是请求加响应, 尤其是我不用记住是谁刚刚发了HTTP请求, 每个请求对我来说都是全新的。这段时间很嗨皮。

2、但是随着交互式Web应用的兴起,像在线购物网站,需要登录的网站等等,马上就面临一个问题,那就是要管理会话,必须记住哪些人登录系统, 哪些人往自己的购物车中放商品, 也就是说我必须把每个人区分开,这就是一个不小的挑战,因为HTTP请求是无状态的,所以想出的办法就是给大家发一个会话标识(session id), 说白了就是一个随机的字串,每个人收到的都不一样, 每次大家向我发起HTTP请求的时候,把这个字符串给一并捎过来, 这样我就能区分开谁是谁了。

3、这样大家很嗨皮了,可是服务器就不嗨皮了,每个人只需要保存自己的session id,而服务器要保存所有人的session id ! 如果访问服务器多了, 就得由成千上万,甚至几十万个。这对服务器说是一个巨大的开销 , 严重的限制了服务器扩展能力, 比如说我用两个机器组成了一个集群, 小F通过机器A登录了系统, 那session id会保存在机器A上, 假设小F的下一次请求被转发到机器B怎么办? 机器B可没有小F的 session id啊。

有时候会采用一点小伎俩: session sticky , 就是让小F的请求一直粘连在机器A上, 但是这也不管用, 要是机器A挂掉了, 还得转到机器B去。

那只好做session 的复制了, 把session id 在两个机器之间搬来搬去, 快累死了。

后来有个叫Memcached的支了招: 把session id 集中存储到一个地方, 所有的机器都来访问这个地方的数据, 这样一来,就不用复制了, 但是增加了单点失败的可能性, 要是那个负责session 的机器挂了, 所有人都得重新登录一遍, 估计得被人骂死。

也尝试把这个单点的机器也搞出集群,增加可靠性, 但不管如何, 这小小的session 对我来说是一个沉重的负担

4、于是有人就一直在思考, 我为什么要保存这可恶的session呢, 只让每个客户端去保存该多好?

可是如果不保存这些session id , 怎么验证客户端发给我的session id 的确是我生成的呢? 如果不去验证,我们都不知道他们是不是合法登录的用户, 那些不怀好意的家伙们就可以伪造session id , 为所欲为了。

嗯,对了,关键点就是验证 !

比如说, 小F已经登录了系统, 我给他发一个令牌(token), 里边包含了小F的 user id, 下一次小F 再次通过Http 请求访问我的时候, 把这个token 通过Http header 带过来不就可以了。

不过这和session id没有本质区别啊, 任何人都可以可以伪造, 所以我得想点儿办法, 让别人伪造不了。

那就对数据做一个签名吧, 比如说我用HMAC-SHA256 算法,加上一个只有我才知道的密钥, 对数据做一个签名, 把这个签名和数据一起作为token , 由于密钥别人不知道, 就无法伪造token了。

这个token 我不保存,当小F把这个token 给我发过来的时候,我再用同样的HMAC-SHA256 算法和同样的密钥,对数据再计算一次签名, 和token 中的签名做个比较, 如果相同, 我就知道小F已经登录过了,并且可以直接取到小F的user id , 如果不相同, 数据部分肯定被人篡改过, 我就告诉发送者: 对不起,没有认证。

Token 中的数据是明文保存的(虽然我会用Base64做下编码, 但那不是加密), 还是可以被别人看到的, 所以我不能在其中保存像密码这样的敏感信息。

当然, 如果一个人的token 被别人偷走了, 那我也没办法, 我也会认为小偷就是合法用户, 这其实和一个人的session id 被别人偷走是一样的。

这样一来,我就不保存session id 了,我只是生成token , 然后验证token,我用我的CPU计算时间获取了我的session 存储空间 !

解除了session id这个负担,可以说是无事一身轻,我的机器集群现在可以轻松地做水平扩展,用户访问量增大,直接加机器就行。这种无状态的感觉实在是太好了!
2 Cookie

cookie 是一个非常具体的东西,指的就是浏览器里面能永久存储的一种数据,仅仅是浏览器实现的一种数据存储功能。

cookie由服务器生成,发送给浏览器,浏览器把cookie以 K-V 形式保存到某个目录下的文本文件内,下一次请求同一网站时会把该cookie发送给服务器。由于cookie是存在客户端上的,所以浏览器加入了一些限制确保cookie不会被恶意使用,同时不会占据太多磁盘空间,所以每个域的cookie数量是有限的。
3 Session

session 从字面上讲,就是会话。这个就类似于你和一个人交谈,你怎么知道当前和你交谈的是张三而不是李四呢?对方肯定有某种特征(长相等)表明他就是张三。

session 也是类似的道理,服务器要知道当前发请求给自己的是谁。为了做这种区分,服务器就要给每个客户端分配不同的“身份标识”,然后客户端每次向服务器发请求的时候,都带上这个“身份标识”,服务器就知道这个请求来自于谁了。至于客户端怎么保存这个“身份标识”,可以有很多种方式,对于浏览器客户端,大家都默认采用 cookie 的方式。

服务器使用session把用户的信息临时保存在了服务器上,用户离开网站后session会被销毁。这种用户信息存储方式相对cookie来说更安全,可是session有一个缺陷:如果web服务器做了负载均衡,那么下一个操作请求到了另一台服务器的时候session会丢失。
3.1 cookie和session的区别

session是存储服务器端,cookie是存储在客户端,所以session的安全性比cookie高。

获取session里的信息是通过存放在会话cookie里的session id获取的。而session是存放在服务器的内存中里,所以session里的数据不断增加会造成服务器的负担,所以会把很重要的信息存储在session中,而把一些次要东西存储在客户端的cookie里。

cookie确切的说分为两大类:会话cookie和持久化cookie。

会话cookie是存放在客户端浏览器的内存中,他的生命周期和浏览器是一致的,当浏览器关闭会话cookie也就消失了

持久化cookie是存放在客户端硬盘中,持久化cookie的生命周期是我们在设置cookie时候设置的那个保存时间。

session的信息是通过sessionid获取的,而sessionid是存放在会话cookie当中的,当浏览器关闭的时候会话cookie消失,所以sessionid也就消失了,但是session的信息还存在服务器端,只是查不到所谓的session,但它并不是不存在。所以session在服务器关闭的时候,或者是session过期,又或者调用了invalidate(),再或者是session中的某一条数据消失调用session.removeAttribute()方法,session在通过调用session.getsession来创建的。
4 Token

在Web领域基于Token的身份验证随处可见。在大多数使用Web API的互联网公司中,tokens 是多用户下处理认证的最佳方式。

以下几点特性会让你在程序中使用基于Token的身份验证

无状态、可扩展
支持移动设备
跨程序调用
安全

那些使用基于Token的身份验证的大佬们:大部分你见到过的API和Web应用都使用tokens。例如Facebook, Twitter, Google+, GitHub等。

在介绍基于Token的身份验证的原理与优势之前,不妨先看看之前的认证都是怎么做的。
4.1 传统方式——基于服务器的验证
在这里插入图片描述

由于 HTTP 协议是无状态的,这种无状态意味着程序需要验证每一次请求,从而辨别客户端的身份。在这之前,程序都是通过在服务端存储登录的用户信息来辨别身份的。这种方式一般都是通过存储 session 来完成,可放在内存或磁盘上。下图说明了基于服务器验证身份的过程:

随着Web,应用程序,已经移动端的兴起,这种验证的方式逐渐暴露出了问题。尤其是在可扩展性方面。
4.2 基于服务器验证方式暴露的一些问题

Seesions:每次认证用户发起请求时,服务器需要去创建一个记录来存储信息。当越来越多的用户发请求时,内存的开销也会不断增加。
可扩展性:由于sessions 存放在服务器内存中,伴随而来的是可扩展性问题。当我们想要增加服务器来解决负载问题时,session 里的关键性信息会限制我们的扩展。
CORS (跨域资源共享):当我们扩展应用程序,让数据能够从不同设备上访问时,跨域资源的共享会是一个让人头疼的问题。在使用 Ajax 抓取另一个域的资源时(移动端访问我们的 API 服务器),可能会出现禁止请求的情况。
CSRF (跨站请求伪造):用户在访问银行网站时,他们很容易受到跨站请求伪造的攻击,并且能够被利用其访问其他的网站。

在这些问题中,可扩展性是最突出的。因此我们有必要去寻求一种更有行之有效的方法。
4.3 基于Token的验证原理

基于 Token 的身份验证是无状态的,我们不用将用户信息存在服务器或 Session 中。这种概念解决了在服务端存储信息时的许多问题。没有 session 信息意味着你的程序可以根据需要去增减机器,而不用去担心用户是否登录和已经登录到了哪里。

虽然基于Token的身份验证实现的方式很多,但大致过程如下:

用户通过用户名和密码发送请求。
程序验证。
程序返回一个签名的 token 给客户端。
客户端储存 token, 并且每次请求都会附带它。
服务端验证 token 并返回数据。

每一次请求都需要Token。Token 应该在 HTTP的头部发送从而保证了 Http 请求无状态。我们也需要设置服务器属性

Access-Control-Allow-Origin: *

来让服务器能接受到来自所有域的请求。需要注意的是,在ACAO头部指定 * 时,不得带有像HTTP认证,客户端SSL证书和cookies的证书。

实现思路:

1.用户登录校验,校验成功后就返回Token给客户端。

2.客户端收到数据后保存在客户端

3.客户端每次访问API是携带Token到服务器端。

4.服务器端采用filter过滤器校验。校验成功则返回请求数据,校验失败则返回错误码

当我们在程序中认证了信息并取得 token 之后,我们便能通过这个 token 做许多的事情。我们甚至能基于创建一个基于权限的token传给第三方应用程序,这些第三方程序能够获取到我们的数据(当然只限于该 token 被允许访问的数据)。
4.5 Tokens的优势

(1)无状态、可扩展

在客户端存储的 token 是无状态的,并且能够被扩展。基于这种无状态和不存储Session信息,负载均衡服务器 能够将用户的请求传递到任何一台服务器上,因为服务器与用户信息没有关联。相反在传统方式中,我们必须将请求发送到一台存储了该用户 session 的服务器上(称为Session亲和性),因此当用户量大时,可能会造成 一些拥堵。使用 token 完美解决了此问题。

(2)安全性

请求中发送 token 而不是 cookie,这能够防止 CSRF(跨站请求伪造) 攻击。即使在客户端使用 cookie 存储 token,cookie 也仅仅是一个存储机制而不是用于认证。另外,由于没有 session,让我们少我们不必再进行基于 session 的操作。

Token 是有时效的,一段时间之后用户需要重新验证。我们也不一定需要等到token自动失效,token有撤回的操作,通过 token revocataion可以使一个特定的 token 或是一组有相同认证的 token 无效。

(3)可扩展性

使用 Tokens 能够与其它应用共享权限。例如,能将一个博客帐号和自己的QQ号关联起来。当通过一个 第三方平台登录QQ时,我们可以将一个博客发到QQ平台中。

使用 token,可以给第三方应用程序提供自定义的权限限制。当用户想让一个第三方应用程序访问它们的数据时,我们可以通过建立自己的API,给出具有特殊权限的tokens。

(4)多平台与跨域

我们已经讨论了CORS (跨域资源共享)。当我们的应用和服务不断扩大的时候,我们可能需要通过多种不同平台或其他应用来接入我们的服务。

可以让我们的API只提供数据,我们也可以从CDN提供服务(Having our API just serve data, we can also make the design choice to serve assets from a CDN.)。 在为我们的应用程序做了如下简单的配置之后,就可以消除 CORS 带来的问题。只要用户有一个通过了验证的token,数据和资源就能够在任何域上被请求到。

          Access-Control-Allow-Origin: *       

(5)基于标准

有几种不同方式来创建 token。最常用的标准就是 JSON Web Tokens。很多语言都支持它。
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版权声明:本文为CSDN博主「wnvalentin」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/wnvalentin/article/details/89854980

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