Python高级技术之：`Python`的`OAuth2`和`JWT`认证：在`Web`应用中实现安全的`API`认证。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好嘞，各位老铁，今天咱们来聊聊Web应用里那些“安全感”爆棚的技术——OAuth2和JWT认证。保证你的API不会被阿猫阿狗随意调用，守护住你的数据安全，让你的应用更加稳健！

开场白：为啥需要OAuth2和JWT？

想象一下，你开发了一个超棒的图片分享应用，用户可以通过你的应用把图片同步到 Ta 的 Facebook 账号。如果没有OAuth2，你的应用就需要用户提供 Facebook 的用户名和密码。这简直就是把用户最私密的宝贝拱手让人，用户肯定会怀疑你是不是要盗号。而且，如果你的应用一旦被黑客攻破，用户的 Facebook 账号也就跟着完蛋。

再想象一下，你开发了一个在线商城，用户登录后，每次访问都需要重新输入用户名和密码。这简直就是噩梦！用户体验极差，用户肯定会毫不犹豫地抛弃你。

OAuth2和JWT就是来解决这些问题的。 OAuth2负责授权，让用户可以安全地授权第三方应用访问自己的资源，而无需共享密码。 JWT负责身份验证，让服务器可以快速验证用户的身份，而无需每次都查询数据库。

第一部分：OAuth2：授权界的扛把子

OAuth2（开放授权）是一个授权框架，它允许第三方应用在不获取用户凭证（用户名和密码）的情况下，访问用户在另一个服务上的资源。听起来有点绕，没关系，我们来分解一下。

1.1 OAuth2 的角色

OAuth2里有几个重要的角色，咱用通俗易懂的方式来介绍一下：

Resource Owner（资源所有者）：就是用户本人。比如，你想用第三方应用访问你的 Facebook 相册，你就是资源所有者。
Client（客户端）：就是第三方应用。比如，你想用图片分享应用把图片同步到 Facebook，图片分享应用就是客户端。
Authorization Server（授权服务器）：负责验证用户身份并颁发令牌。比如，Facebook 就是授权服务器。
Resource Server（资源服务器）：存储用户资源的服务器。比如，Facebook 的相册服务器就是资源服务器。

1.2 OAuth2 的授权流程

OAuth2 的授权流程有点复杂，但别怕，我们一步一步来：

客户端发起授权请求：客户端（比如图片分享应用）向授权服务器（比如 Facebook）发起授权请求，说明需要访问哪些资源（比如相册）。
用户授权：授权服务器会要求用户登录，验证身份。如果用户同意授权，授权服务器会给客户端颁发一个授权码（Authorization Code）。
客户端用授权码换取访问令牌：客户端拿着授权码，向授权服务器请求访问令牌（Access Token）。授权服务器验证授权码的有效性，如果没问题，就颁发访问令牌。
客户端使用访问令牌访问资源：客户端拿着访问令牌，向资源服务器（比如 Facebook 的相册服务器）请求资源。资源服务器验证访问令牌的有效性，如果没问题，就返回用户请求的资源。

1.3 授权模式（Grant Types）

OAuth2 有多种授权模式，适用于不同的场景。常见的授权模式有以下几种：

授权码模式（Authorization Code Grant）：这是最常用，也是最安全的授权模式。适用于Web应用和移动应用。流程就是上面我们介绍的那个。
简化模式（Implicit Grant）：适用于纯前端的 JavaScript 应用。这种模式直接把访问令牌返回给客户端，安全性较低，不建议使用。
密码模式（Resource Owner Password Credentials Grant）：适用于客户端完全信任的应用。客户端直接向用户索要用户名和密码，然后用这些信息向授权服务器请求访问令牌。这种模式风险很高，不建议使用。
客户端凭据模式（Client Credentials Grant）：适用于客户端代表自己而不是用户去访问资源。比如，一个监控系统需要定期访问服务器的资源，就可以使用这种模式。

1.4 代码示例（Python + Flask）

我们用 Python 和 Flask 来演示一下 OAuth2 的授权码模式。这里我们使用 Authlib 这个库，它简化了 OAuth2 的实现。

首先，安装 Authlib：

pip install Authlib

然后，创建一个 Flask 应用：

from flask import Flask, redirect, session, url_for, render_template
from authlib.integrations.flask_client import OAuth
import os

app = Flask(__name__)
app.secret_key = os.urandom(24)

# OAuth 配置
oauth = OAuth(app)
CONF = {
    'facebook': {
        'client_id': 'YOUR_FACEBOOK_CLIENT_ID',
        'client_secret': 'YOUR_FACEBOOK_CLIENT_SECRET',
        'request_token_url': None,
        'request_token_params': None,
        'access_token_url': 'https://graph.facebook.com/oauth/access_token',
        'access_token_params': None,
        'authorize_url': 'https://www.facebook.com/dialog/oauth',
        'api_base_url': 'https://graph.facebook.com/',
        'client_kwargs': {'scope': 'email public_profile'},
    }
}

oauth.register(
    name='facebook',
    client_id=CONF['facebook']['client_id'],
    client_secret=CONF['facebook']['client_secret'],
    access_token_url=CONF['facebook']['access_token_url'],
    authorize_url=CONF['facebook']['authorize_url'],
    api_base_url=CONF['facebook']['api_base_url'],
    client_kwargs={'scope': CONF['facebook']['client_kwargs']['scope']},
)

@app.route('/')
def homepage():
    return render_template('index.html')

@app.route('/login/facebook')
def login_facebook():
    redirect_uri = url_for('authorize_facebook', _external=True)
    return oauth.facebook.authorize_redirect(redirect_uri)

@app.route('/authorize/facebook')
def authorize_facebook():
    token = oauth.facebook.authorize_access_token()
    if token:
        resp = oauth.facebook.get('me', token=token)
        profile = resp.json()
        session['profile'] = profile
        return redirect(url_for('profile'))
    else:
        return "Failed to authorize."

@app.route('/profile')
def profile():
    profile = session.get('profile')
    if profile:
        return render_template('profile.html', profile=profile)
    else:
        return redirect(url_for('homepage'))

if __name__ == '__main__':
    app.run(debug=True)

index.html:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>OAuth Example</title>
</head>
<body>
    <h1>Welcome to the OAuth Example!</h1>
    <a href="{{ url_for('login_facebook') }}">Login with Facebook</a>
</body>
</html>

profile.html:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Profile</title>
</head>
<body>
    <h1>Your Profile</h1>
    <p>Name: {{ profile['name'] }}</p>
    <p>Email: {{ profile['email'] if 'email' in profile else 'No Email' }}</p>
</body>
</html>

注意：

把 YOUR_FACEBOOK_CLIENT_ID 和 YOUR_FACEBOOK_CLIENT_SECRET 替换成你自己的 Facebook 应用 ID 和应用密钥。
需要在 Facebook 开发者平台创建一个应用，并配置好回调 URL。

这个例子演示了如何使用 OAuth2 授权码模式，让用户通过 Facebook 登录你的应用。

第二部分：JWT：身份验证的小能手

JWT（JSON Web Token）是一个开放标准（RFC 7519），它定义了一种紧凑且自包含的方式，用于在各方之间安全地传输 JSON 对象。 JWT 可以被验证和信任，因为它是经过数字签名的。

2.1 JWT 的结构

一个 JWT 实际上就是一个字符串，它由三个部分组成，用点号（.）分隔：

Header（头部）：头部通常包含两部分信息：token 的类型（通常是 "JWT"）和所使用的签名算法（比如 "HS256" 或 "RS256"）。
Payload（载荷）：载荷包含声明（claims）。声明是关于用户或其他实体的描述信息。比如，可以包含用户的 ID、用户名、角色等等。 JWT 有三种类型的声明：
- Registered claims：预定义的声明，比如 iss（issuer，发行者）、sub（subject，主题）、aud（audience，受众）、exp（expiration time，过期时间）等等。
- Public claims：公共声明，可以自定义，但为了避免冲突，建议使用 IANA 注册的命名空间。
- Private claims：私有声明，自定义的声明，用于在应用之间传递信息。
Signature（签名）：签名用于验证 JWT 的完整性，确保 JWT 没有被篡改。签名是根据头部、载荷和一个密钥，使用指定的签名算法生成的。

2.2 JWT 的工作原理

用户登录：用户向服务器提供用户名和密码。
服务器验证：服务器验证用户的身份。
生成 JWT：如果验证成功，服务器会生成一个 JWT，其中包含用户的 ID、角色等信息。
返回 JWT：服务器将 JWT 返回给客户端。
客户端存储 JWT：客户端将 JWT 存储在本地（比如 localStorage 或 cookie）。
客户端发送 JWT：客户端在每次请求时，将 JWT 放在请求头中（通常是 Authorization: Bearer <JWT>）。
服务器验证 JWT：服务器收到请求后，验证 JWT 的有效性。
处理请求：如果 JWT 验证成功，服务器会根据 JWT 中的信息，处理用户的请求。

2.3 代码示例（Python + Flask）

我们用 Python 和 Flask 来演示一下 JWT 的使用。这里我们使用 PyJWT 这个库。

首先，安装 PyJWT：

pip install PyJWT

然后，创建一个 Flask 应用：

import jwt
import datetime
from functools import wraps
from flask import Flask, request, jsonify, make_response
import os

app = Flask(__name__)
app.config['SECRET_KEY'] = os.urandom(24)

def token_required(f):
    @wraps(f)
    def decorated(*args, **kwargs):
        token = None

        if 'x-access-token' in request.headers:
            token = request.headers['x-access-token']

        if not token:
            return jsonify({'message' : 'Token is missing!'}), 401

        try:
            data = jwt.decode(token, app.config['SECRET_KEY'], algorithms=["HS256"])
            # 这里可以根据data['user_id']去数据库查询用户信息，然后传递给视图函数
            # current_user = User.query.filter_by(public_id=data['public_id']).first()
        except:
            return jsonify({'message' : 'Token is invalid!'}), 401

        return f(*args, **kwargs)
    return decorated

@app.route('/login')
def login():
    auth = request.authorization

    if not auth or not auth.username or not auth.password:
        return make_response('Could not verify', 401, {'WWW-Authenticate' : 'Basic realm="Login Required!"'})

    # 这里应该根据auth.username去数据库查询用户，然后验证密码
    # user = User.query.filter_by(name=auth.username).first()
    # if not user:
    #     return make_response('Could not verify', 401, {'WWW-Authenticate' : 'Basic realm="Login Required!"'})

    # if check_password(auth.password, user.password):
    #     return make_response('Could not verify', 401, {'WWW-Authenticate' : 'Basic realm="Login Required!"'})

    # 为了演示方便，这里直接假设登录成功
    token = jwt.encode({
        'user_id': 123,
        'exp' : datetime.datetime.utcnow() + datetime.timedelta(minutes=30)
    }, app.config['SECRET_KEY'], algorithm="HS256")

    return jsonify({'token' : token})

@app.route('/protected')
@token_required
def protected():
    return jsonify({'message' : 'This is only available for people with valid tokens.'})

if __name__ == '__main__':
    app.run(debug=True)

注意：

app.config['SECRET_KEY'] 必须设置一个安全的密钥。
token_required 装饰器用于保护需要身份验证的路由。
jwt.encode 用于生成 JWT。
jwt.decode 用于验证 JWT。

这个例子演示了如何使用 JWT 实现身份验证。

第三部分：OAuth2 + JWT：强强联合

OAuth2 和 JWT 可以结合使用，实现更安全、更灵活的 API 认证。

3.1 流程

客户端发起 OAuth2 授权请求：客户端向授权服务器请求授权。
用户授权：用户登录并授权客户端访问自己的资源。
授权服务器颁发 JWT：授权服务器验证用户身份后，颁发一个包含用户信息的 JWT 作为访问令牌。
客户端使用 JWT 访问资源服务器：客户端在请求头中携带 JWT 访问资源服务器。
资源服务器验证 JWT：资源服务器验证 JWT 的有效性，如果验证通过，则返回用户请求的资源。

3.2 优点

安全性更高： JWT 经过数字签名，可以防止篡改。
无状态：资源服务器不需要维护会话状态，可以提高可扩展性。
灵活： JWT 可以包含自定义的声明，方便在应用之间传递信息。

3.3 代码示例（概念性）

这部分的代码示例会比较复杂，涉及到 OAuth2 服务器的搭建，以及 JWT 的生成和验证。这里只提供一个概念性的代码框架，具体的实现可以参考相关的 OAuth2 服务器和 JWT 库的文档。

# OAuth2 服务器 (比如使用 Authlib)
from authlib.integrations.flask_oauth2 import AuthorizationServer, ResourceProtector
from authlib.oauth2.rfc6749 import grants
from authlib.oauth2.rfc6750 import BearerTokenValidator
from flask import Flask, jsonify

# JWT 相关的库 (比如 PyJWT)
import jwt
import datetime

app = Flask(__name__)
app.config['SECRET_KEY'] = 'your-secret-key'  # 替换成你的 secret key

# 假设的数据库模型 (简化)
class User:
    def __init__(self, id, username):
        self.id = id
        self.username = username

# OAuth2 配置
class AuthorizationCodeGrant(grants.AuthorizationCodeGrant):
    def create_authorization_code(self, client, grant_user, request):
        # 创建授权码的逻辑
        pass

    def save_authorization_code(self, authorization_code, request):
        # 保存授权码的逻辑
        pass

    def authenticate_authorization_code(self, authorization_code, client):
        # 验证授权码的逻辑
        pass

    def delete_authorization_code(self, authorization_code):
        # 删除授权码的逻辑
        pass

    def create_token(self, client, grant_type, user=None, request=None, scope=None):
        # 创建 JWT 令牌
        user = User(id=1, username='example_user') # 假设的用户
        payload = {
            'user_id': user.id,
            'username': user.username,
            'exp': datetime.datetime.utcnow() + datetime.timedelta(seconds=3600) # 1小时后过期
        }
        token = jwt.encode(payload, app.config['SECRET_KEY'], algorithm='HS256')
        return {'access_token': token, 'token_type': 'Bearer', 'expires_in': 3600}

# 资源服务器配置
class JWTBearerTokenValidator(BearerTokenValidator):
    def authenticate_token(self, token_string):
        # 验证 JWT 令牌
        try:
            payload = jwt.decode(token_string, app.config['SECRET_KEY'], algorithms=['HS256'])
            return User(id=payload['user_id'], username=payload['username']) # 返回用户信息
        except jwt.ExpiredSignatureError:
            return None # token过期
        except jwt.InvalidTokenError:
            return None # token无效

    def request_invalid(self, request):
        # 处理无效请求
        return False

# 初始化 OAuth2 服务器
authorization_server = AuthorizationServer(app)
authorization_server.init_db_session = lambda: None  # 替换成你的数据库会话
authorization_server.register_grant(AuthorizationCodeGrant)

# 初始化资源保护器
resource_protector = ResourceProtector()
resource_protector.register_token_validator(JWTBearerTokenValidator())

@app.route('/oauth/authorize', methods=['GET', 'POST'])
def authorize():
    # 授权端点
    pass

@app.route('/oauth/token', methods=['POST'])
def issue_token():
    # 令牌端点
    return authorization_server.create_token_response()

@app.route('/api/protected')
@resource_protector.require_token
def protected_resource():
    # 受保护的资源
    user = resource_protector.current_token
    return jsonify({'message': f'Hello, {user.username}! This is a protected resource.'})

if __name__ == '__main__':
    app.run(debug=True)

总结

今天我们学习了 OAuth2 和 JWT 这两个强大的安全技术。 OAuth2 负责授权，让用户可以安全地授权第三方应用访问自己的资源。 JWT 负责身份验证，让服务器可以快速验证用户的身份。它们可以单独使用，也可以结合使用，为你的 Web 应用提供更强大的安全保障。当然，安全是一个持续学习和实践的过程，希望大家能够不断学习新的安全知识，提升自己的安全技能。

好了，今天的讲座就到这里，感谢大家的聆听，下次再见！

发表回复 取消回复

发表回复取消回复