基於令牌的身份驗證是軟件開發中的一個關鍵方面，每個開發人員都應該熟悉。本文深入探討了基於令牌的身份驗證的世界，探討了它為什麼如此重要，以及如何成為現代應用開發的必備之物。

令牌式身份驗證系統正在改變我們對安全性的看法，它從基於會話的方法中邁出了一步，提供了一種更靈活、安全和可擴展的解決方案。在當今分佈式應用和雲計算的現實中，這個概念尤為重要。令牌式身份驗證如此受歡迎的事實恰恰表明了它的有效性和數字安全需求在應用開發中的演變。

為什麼不使用密碼和會話？

在傳統的基於會話的身份驗證模式中，服務器通過在 cookie 中存儲的會話 ID 來維護用戶會話的狀態。盡管對於簡單的單體應用程序而言是可行的，但在現代分佈式應用程序面前，這種模式顯示出其局限性。這些限制以多種方式體現：

• 可擴展性：在多個服務器或微服務之間管理會話狀態可能會耗時且效率低下。
• 性能：每個請求都不斷驗證會話信息會增加額外開銷，影響應用程序的性能。
• 安全風險：會話可能面臨各種攻擊，如會話劫持和跨站腳本（XSS）攻擊。

基於令牌的身份驗證解決了這些問題，提供了一種無狀態的方法。每個令牌都封裝了用戶的身份和權限，消除了服務器維護會話狀態的需要。這種方法不僅簡化了架構，還增強了安全性。特別是在使用JWT（JSON Web Tokens）等標準實施的情況下，令牌提供了簽名和可選加密等強大的安全功能，提高了對各種攻擊的防護能力。

基於令牌的認證

基於令牌的身份驗證不僅僅是一個技術概念；它實際上是用戶和會話管理方式的根本轉變。簡而言之，它就像是一個“數字通行證”，在系統中確認您的身份和權限，而無需不斷驗證用戶名和密碼。這個通行證，或者令牌，可以在每次用戶發送請求時呈現，確保在沒有傳統方法的開銷下實現安全性。

OAuth和JWT（JSON Web Tokens）等標準的崛起對基於令牌的身份驗證的發展起到了至關重要的作用。OAuth提供了一個授權框架，使得服務可以驗證身份，而無需直接處理用戶憑證。與此同時，由於它的緊湊、安全的格式和能夠攜帶聲明信息的能力，JWT已成為令牌的事實標準。這些聲明可以包括用戶身份、角色和其他相關信息，全部以易於驗證和安全的格式進行傳輸。這些標準使得基於令牌的身份驗證的實施更加簡便，並增強了不同系統和服務之間的兼容性。

令牌基於身份驗證的工作原理是什麼？

基於令牌的身份驗證機制圍繞著令牌的創建、分發和驗證展開。下面是該過程的概述：

• 用戶認證：起初，用戶使用他們的憑證登錄（傳統上是用戶名和密碼，以及較新的方法，如MFA和密鑰）。成功認證後，服務器生成一個令牌。
• 令牌生成：此令牌包含有關用戶的編碼數據（或“聲明”）。在JWT的情況下，這些聲明包括用戶ID，角色和令牌過期信息，全部經過數字簽名以防篡改。
• 令牌傳輸：然後，將令牌發送回用戶的客戶端（例如，Web瀏覽器或移動應用程序）。
• 客戶端存儲：客戶端通常將這個令牌存儲在本地存儲或cookie中。
• 令牌使用：每次對服務器的請求中，通常會將令牌隨同發送，放在HTTP頭部。
• 服務器驗證：在收到一個帶有令牌的請求後，服務器會驗證令牌的完整性和真實性。如果令牌有效，服務器會根據令牌中的聲明處理請求。
• Token重新驗證 - 授權服務器在一定時間間隔內吊銷令牌，客戶端必須重新創建。通過這種方式，令牌可以在會話劫持情況下保持安全，並且經常失效。

一個偽代碼的例子可能是這樣的：

// User login
const userToken = authenticateUser('username', 'password');
storeTokenLocally(userToken);
// Making an authenticated request
const storedToken = retrieveToken();
makeRequestWithToken('/api/data', storedToken);
// Server-side token validation
function validateRequest(request) {
    const token = extractToken(request);
    if (verifyToken(token)) {
        return processRequest(token);
    } else {
        return 'Invalid token';
    }
}

在這個例子中，authenticateUser在成功登錄後生成一個令牌，storeTokenLocally將令牌存儲在本地，retrieveToken和makeRequestWithToken用於管理將令牌與請求一起發送，validateRequest用於處理服務端的令牌驗證。

令牌類型

深入探討基於令牌的身份驗證，我們遇到了各種類型的令牌，每種令牌在身份驗證和授權過程中扮演特定的角色。

• 訪問令牌：這些是基於令牌的身份驗證的核心，用於向服務器發出經過身份驗證的請求。通常是短期的，它們包含有關用戶和授權訪問范圍的信息。例如，JWT訪問令牌可以向用戶授予對API端點的讀取訪問權限。
• 刷新令牌：刷新令牌比訪問令牌更長壽，用於獲取新的訪問令牌。它們被安全地存儲在服務器上，幫助保持用戶會話而無需持續重新認證。
• ID令牌：主要用於OpenID Connect（OAuth 2.0的身份層）中，ID令牌提供有關用戶的信息。它們通常是JWT，並包含有關用戶身份的聲明。
• API令牌：通常用於服務器之間的通信，這些令牌授予訪問特定API端點的權限。與特定用戶的令牌不同，API令牌通常不與特定用戶的身份關聯，而是與服務或應用程序關聯。

讓我們考慮一個通過OAuth 2.0進行身份驗證的示例：

// After successful authentication
const accessToken = getAccessToken();
const refreshToken = getRefreshToken();
// Accessing a protected resource
makeApiCall('/api/userdata', accessToken);
// Refreshing an expired access token
if (isTokenExpired(accessToken)) {
    accessToken = refreshAccessToken(refreshToken);
}

在這個片段中，getAccessToken和getRefreshToken獲取相應的令牌，makeApiCall使用訪問令牌請求數據，而refreshAccessToken則用於使用刷新令牌獲取新的訪問令牌。

使用令牌的挑戰

雖然基於令牌的身份驗證提供了許多優勢，但它也帶來了開發者必須解決的挑戰。

• 令牌管理：安全地存儲和管理令牌，尤其是刷新令牌，是至關重要的。管理不善的令牌可能會成為安全隱患。
• 令牌過期：實施和處理令牌過期需要仔細思考，以平衡安全性和用戶體驗。
• 可擴展性和性能：在高流量系統中，對於每個請求進行令牌驗證可能成為性能瓶頸。
• 跨域問題/跨源問題：當令牌在不同的域中使用時，開發者需要處理潛在的跨域資源共享（CORS）問題。

解決這些挑戰通常需要結合編碼最佳實踐，采用令牌輪換和吊銷策略，並實施高效的令牌驗證機制。

授權令牌

在授權（登錄後決定用戶是否允許執行操作的過程）中，令牌可以用作關於用戶的更多信息的來源。有兩個常見的標準來存儲令牌中的授權數據。

• 聲明：令牌可以攜帶聲明，這些聲明本質上是表示用戶屬性和權限的鍵值對。例如，一個令牌可以包含像role: 'admin'或access_level: 'premium'這樣的聲明。這些聲明使得對用戶可以訪問的資源有了精細的控制。
• 范圍：令牌通常定義了訪問范圍，即令牌允許用戶訪問的資源范圍。例如，一個令牌可能包括一個訪問范圍，在策略中可以評估該范圍以決定特定身份的權限。

僅僅使用作用域和聲明來授權請求可能會導致代碼混亂，將應用程序策略與業務邏輯代碼耦合在一起，使得維護和審計變得困難。在代碼中使用命令式的if語句和條件函數來替代正確使用作用域可能會導致無盡的拉取請求，用於簡單的授權更改。

這個反模式可以通過一個例子來說明:

// A classic middleware authorizer function
function authorizeUser(token) {
    const userClaims = decodeToken(token).claims;
    if (userClaims.role === 'admin') {
        return 'Full access granted';
    } else if (userClaims.access_level === 'premium') {
        return 'Premium features accessible';
    } else {
        return 'Basic access';
    }
}

在這個偽代碼中，decodeToken從令牌中提取聲明，authorizeUser使用這些聲明來確定用戶應該具有的訪問級別。當產品需求發生變化時，我們需要修改應用程序代碼，僅僅是為了這個簡單的策略決策。

使用范圍和聲明的適當方法是將它們與基於策略與代碼的授權系統結合使用。

基於令牌的身份驗證和策略即代碼

基於令牌的身份驗證與“策略即代碼”的概念良好地協同工作。

策略語言和引擎，例如Open Policy Agent（OPA）或AWS的Cedar，賦予開發人員在代碼中定義安全和運營策略的能力。當與基於令牌的身份驗證結合時，這些策略將產生一個強大、靈活的系統，用於控制對資源的訪問。

自動化政策執行：通過將政策定義為代碼，組織可以自動執行安全規則，降低人為錯誤的風險並提高合規性。

動態訪問控制：當與策略引擎集成時，基於令牌的身份驗證可以實現動態和上下文意識的訪問決策。可以根據令牌的聲明與編碼策略進行評估，以確定是否應該允許請求。

這是一個示例，說明了策略即代碼如何與基於令牌的身份驗證一起工作。

const userToken = getUserToken();⁠
const policyDecision = policyEngine.evaluate(userToken, 'accessResource');
if (policyDecision.allowed) {
    grantAccessToResource();
} else {
    denyAccess();
}

在這種情況下，getUserToken獲取用戶的令牌，而policyEngine.evaluate根據預定義的策略評估此令牌來決定資源訪問權限。當產品需求變化時，唯一需要改變的是策略本身，應用程序代碼和邏輯保持不變。

結論

在您的應用程序中采用基於令牌的身份驗證不僅僅是一種安全措施，它也是邁向更可擴展、靈活和安全系統的步驟。