基于Token的身份验证的原理_token-based authentication

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

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。
参考文献

[1] The ins and outs of Token-based Authentication.
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