Про токены, JSON Web Tokens (JWT), аутентификацию и авторизацию. Token-Based Authentication

tokens.md

Про токены, JSON Web Tokens (JWT), аутентификацию и авторизацию. Token-Based Authentication

Last major update: 25.08.2020

• Что такое авторизация/аутентификация
• Где хранить токены
• Как ставить куки ?
• Процесс логина
• Процесс рефреш токенов
• Кража токенов/Механизм контроля токенов
• Зачем все это ? JWT vs Cookie sessions

Основа:

Аутентификация(authentication, от греч. αὐθεντικός [authentikos] – реальный, подлинный; от αὐθέντης [authentes] – автор) - это процесс проверки учётных данных пользователя (логин/пароль). Проверка подлинности пользователя путём сравнения введённого им логина/пароля с данными сохранёнными в базе данных.

Авторизация(authorization — разрешение, уполномочивание) - это проверка прав пользователя на доступ к определенным ресурсам.

Например, после аутентификации юзер sasha получает право обращаться и получать от ресурса "super.com/vip" некие данные. Во время обращения юзера sasha к ресурсу vip система авторизации проверит имеет ли право юзер обращаться к этому ресурсу (проще говоря переходить по неким разрешенным ссылкам)

1. Юзер c емайлом sasha_gmail.com успешно прошел аутентификацию
2. Сервер посмотрел в БД какая роль у юзера
3. Сервер сгенерил юзеру токен с указанной ролью
4. Юзер заходит на некий ресурс используя полученный токен
5. Сервер смотрит на права(роль) юзера в токене и соответственно пропускает или отсекает запрос

Собственно п.5 и есть процесс авторизации.

Дабы не путаться с понятиями Authentication/Authorization можно использовать псевдонимы checkPassword/checkAccess(я так сделал в своей API)

JSON Web Token (JWT) — содержит три блока, разделенных точками: заголовок(header), набор полей (payload) и сигнатуру. Первые два блока представлены в JSON-формате и дополнительно закодированы в формат base64. Набор полей содержит произвольные пары имя/значения, притом стандарт JWT определяет несколько зарезервированных имен (iss, aud, exp и другие). Сигнатура может генерироваться при помощи и симметричных алгоритмов шифрования, и асимметричных. Кроме того, существует отдельный стандарт, отписывающий формат зашифрованного JWT-токена.

Пример подписанного JWT токена (после декодирования 1 и 2 блоков):

{ alg: "HS256", typ: "JWT" }.{ iss: "auth.myservice.com", aud: "myservice.com", exp: 1435937883, userName: "John Smith", userRole: "Admin" }.S9Zs/8/uEGGTVVtLggFTizCsMtwOJnRhjaQ2BMUQhcY

Токены предоставляют собой средство авторизации для каждого запроса от клиента к серверу. Токены(и соответственно сигнатура токена) генерируются на сервере основываясь на секретном ключе(который хранится на сервере) и payload'e. Токен в итоге хранится на клиенте и используется при необходимости авторизации какого-либо запроса. Такое решение отлично подходит при разработке SPA.

При попытке хакером подменить данные в header'ре или payload'е, токен станет не валидным, поскольку сигнатура не будет соответствовать изначальным значениям. А возможность сгенерировать новую сигнатуру у хакера отсутствует, поскольку секретный ключ для зашифровки лежит на сервере.

access token - используется для авторизации запросов и хранения дополнительной информации о пользователе (аля user_id, user_role или еще что либо, эту информацию также называет payload). Все поля в payload это свободный набор полей необходимый для реализации вашей частной бизнес логики. То бишь user_id и user_role не являются требованием и представляют собой исключительно частный случай. Сам токен храним не в localStorage как это обычно делают, а в памяти клиентского приложения.

refresh token - выдается сервером по результам успешной аутентификации и используется для получения новой пары access/refresh токенов. Храним исключительно в httpOnly куке.

Каждый токен имеет свой срок жизни, например access: 30 мин, refresh: 60 дней

Поскольку токены(а данном случае access) это не зашифрованная информация крайне не рекомендуется хранить в них какую либо sensitive data (passwords, payment credentials, etc...)

Роль рефреш токенов и зачем их хранить в БД. Рефреш на сервере хранится для учета доступа и инвалидации краденых токенов. Таким образом сервер наверняка знает о клиентах которым стоит доверять(кому позволено авторизоваться). Если не хранить рефреш токен в БД то велика вероятность того что токены будут бесконтрольно гулять по рукам злоумышленников. Для отслеживания которых нам придется заводить черный список и периодически чистить его от просроченных. В место этого мы храним лимитированный список белых токенов для каждого юзера отдельно и в случае кражи у нас уже есть механизм противодействия(описано ниже).

Как ставить куки ?

Для того что бы refreshToken кука была успешно уставленна и отправлена браузером, адреса эндпоинтов аутентификации(/api/auth/login, /api/auth/refresh-tokens, /api/auth/logout) должны располагася в доменном пространстве сайта. Тоесть для домена super.com на сервере ставим куку с такими опциями:

{
    domain: '.super.com',
    path: '/api/auth'
}

Таким образом кука установится в браузер и прийдет на все эндпоинты по адресу super.com/api/auth/<any-path>

Если у нас монолит и за аутентификацию отвечает один и тот-же API, тут проблем не должно быть. Но если за аутентификацию отвечает отдельный микросервис, прячем его средствами nginx по выше указанному пути (super.com/api/auth).

# пример настройки nginx конфига(только основые настройки)
server {
    listen 80;
    server_name super.com;
    # SPA/Front-end
    location / {
        try_files $uri /index.html;
        root /var/www/frontend/dist;
        index index.html;
    }
    # Main API
    location /api {
        proxy_pass http://111.111.111.111:7000;
    }
    # Auth API
    location /api/auth {
        proxy_redirect http://222.222.222.222:7000   /auth/;
        proxy_pass http://222.222.222.222:7000;
    }
}

Логин, создание сессии/токенов (api/auth/login):

1. Пользователь логинится в приложении, передавая логин/пароль и fingerprint браузера (ну или некий иной уникальный идентификатор устройства если это не браузер)
2. Сервер проверят подлинность логина/пароля
3. В случае удачи создает и записывает сессию в БД { userId: uuid, refreshToken: uuid, expiresIn: int, fingerprint: string, ... } (схема таблицы ниже)
4. Создает access token
5. Отправляет клиенту access и refresh token uuid (взятый из выше созданной сессии)

Set-Cookie: refreshToken='c84f18a2-c6c7-4850-be15-93f9cbaef3b3'; HttpOnly // для браузера
{
  body: { 
    accessToken: 'eyJhbGciOiJIUzUxMiIsI...',
    refreshToken: 'c84f18a2-c6c7-4850-be15-93f9cbaef3b3' // для мобильных приложений
  }
}

6. Клиент сохраняет токены(access в памяти приложения, refresh сетится как кука автоматом)

На что нужно обратить внимание при установке refresh куки:

• maxAge куки ставим равную expiresIn из выше созданной сессии
• В path ставим корневой роут auth контроллера (/api/auth) это важно, таким образом токен получат только те хендлеры которым он нужен(/api/auth/logout и /api/auth/rerfesh-tokens), остальные обойдутся(нечего зря почём отправлять sensitive data).

Стоит заметить, что процесс добавления сессии в таблицу должен имеет свои меры безопасности. При добавлении стоит проверять сколько рефреш-сессий всего есть у юзера и, если их слишком много или юзер конектится одновременно из нескольких подсетей, стоит предпринять меры. Имплементируя данную проверку, я проверяю только что бы юзер имел максимум до 5 одновременных рефреш-сессий максимум, и при попытке установить следующую удаляю предыдущие. Все остальные проверки на ваше усмотрение в зависимости от задачи.

Таким образом если юзер залогинился на пяти устройствах, рефреш токены будут постоянно обновляться и все счастливы. Но если с аккаунтом юзера начнут производить подозрительные действия(попытаются залогинится более чем на 5'ти устройствах) система сбросит все сессии(рефреш токены) кроме последней.

Перед каждым запросом клиент предварительно проверяет время жизни access token'а (да берем expiresIn прямо из JWT в клиентском приложении) и если оно истекло шлет запрос на обновление токенов. Для большей уверенности можем обновлять токены на несколько секунд раньше. То есть кейс когда API получит истекший access токен практически исключен.

Что такое fingerprint ? Это инструмент отслеживания браузера вне зависимости от желания пользователя быть идентифицированным. Это хеш сгенерированный js'ом на базе неких уникальных параметров/компонентов браузера. Преимущество fingerprint'a в том что он нигде персистентно не хранится и генерируется только в момент логина и рефреша.

• Библиотека для хеширования: https://github.com/Valve/fingerprintjs2
• Более подробно: https://player.vimeo.com/video/151208427
• Пример ф-ции получения такого хеша: https://gist.github.com/zmts/b26ba9a61aa0b93126fc6979e7338ca3

В случае если клиент не браузер, а мобильное приложение, в качестве fingerprint используем любую уникальную строку(тот же uuid) персистентно хранящуюся на устройстве.

Рефреш токенов (api/auth/refresh-tokens):

Для использования возможности аутентификации на более чем одном девайсе необходимо хранить все рефреш токены по каждому юзеру. Я храню это список в PostgreSQL таблице(а надо бы в Redis'е). В процессе каждого логина создается запись с IP/Fingerprint и другой мета информацией, так званая рефреш-сессия.

CREATE TABLE refreshSessions (
    "id" SERIAL PRIMARY KEY,
    "userId" uuid REFERENCES users(id) ON DELETE CASCADE,
    "refreshToken" uuid NOT NULL,
    "ua" character varying(200) NOT NULL, /* user-agent */
    "fingerprint" character varying(200) NOT NULL,
    "ip" character varying(15) NOT NULL,
    "expiresIn" bigint NOT NULL,
    "createdAt" timestamp with time zone NOT NULL DEFAULT now()
);

1. Клиент(фронтенд) проверяет перед запросом не истекло ли время жизни access token'на
2. Если истекло клиент делает запрос на POST auth/refresh-tokens { fingerprint: string } в body и соответственно refreshToken куку.
3. Сервер получает запись рефреш-сессии по UUID'у рефреш токена
4. Сохраняет текущую рефреш-сессию в переменную и удаляет ее из таблицы
5. Проверяет текущую рефреш-сессию:
   1. Не истекло ли время жизни
   2. На соответствие старого fingerprint'a полученного из текущей рефреш-сессии с новым полученным из тела запроса
6. В случае негативного результата бросает ошибку TOKEN_EXPIRED/INVALID_REFRESH_SESSION
7. В случае успеха создает новую рефреш-сессию и записывает ее в БД
8. Создает access token
9. Отправляет клиенту access и refresh token uuid (взятый из выше созданной рефреш-сессии)

Set-Cookie: refreshToken='c84f18a2-c6c7-4850-be15-93f9cbaef3b3'; HttpOnly // для браузера
{
  body: { 
    accessToken: 'eyJhbGciOiJIUzUxMiIsI...',
    refreshToken: 'c84f18a2-c6c7-4850-be15-93f9cbaef3b3' // для мобильных приложений
  }
}

Tip: Для отправки запроса с куками для axios есть опция { withCredentials: true }

Ключевой момент:

В момент рефреша то есть обновления access token'a обновляются ОБА токена. Но как же refresh token может сам себя обновить, он ведь создается только после успешной аутентификации ? refresh token в момент рефреша сравнивает себя с тем refresh token'ом который лежит в БД и вслучае успеха, а также если у него не истек срок, система рефрешит токены.

Вопрос зачем refresh token'y срок жизни, если он обновляется каждый раз при обновлении access token'a ? Это сделано на случай, если юзер будет в офлайне более 60 дней, тогда придется заново вбить логин/пароль.

В случае кражи access токена и refresh куки:

1. Хакер воспользовался access token'ом
2. Закончилось время жизни access token'на
3. Клиент хакера отправляет refresh token и fingerprint
4. Сервер смотрит fingerprint хакера
5. Сервер не находит fingerprint хакера в рефреш-сессии и удаляет ее из БД
6. Сервер логирует попытку несанкционированного обновления токенов
7. Сервер перенаправляет хакера на станицу логина. Хакер идет лесом
8. Юзер пробует зайти на сервер >> обнаруживается что refresh token отсутствует
9. Сервер перенаправляет юзера на форму аутентификации
10. Юзер вводит логин/пароль

В случае кражи access токена, refresh куки и fingerprint'а (без примера в кодовой базе supra-api-nodejs):

Стащить все авторизационные данные это не из легких задач, но все же допустим этот кейс как крайний и наиболее неудобный с точки зрения UX.

Предложу несколько вариантов решения данной проблемы:

• Хранить IP или Subnet залогиненного клиента

1. Хакер воспользовался access token'ом
2. Закончилось время жизни access token'на
3. Хакер отправляет refresh куку и fingerprint
4. Сервер проверяет IP хакера, хакер идет лесом

UX минус: нужно логинится с каждого нового IP.

• Удалять все сессии в случае если refresh токен не найден

1. Хакер воспользовался access token'ом
2. Закончилось время жизни access token'на
3. Хакер отправляет refresh куку и fingerprint
4. На сервере создается новый refresh токен ("от хакера")
5. Хакер получает новую пару токенов
6. Юзер пробует отправить запрос на сервер >> обнаруживается что refresh токен не валиден
7. Сервер удаляет все сессии юзера, в последствии чего хакер больше не сможет обновлять access токен
8. Сервер создает новую сессию для пользователя

UX минус: в каждом случае когда сервер не будет находить рефреш токен - будут сбрасиватся все сессии юзера на всех устройствах.

Зачем все это ? JWT vs Cookie sessions

Зачем этот весь геморой ? Почему не юзать старые добрые cookie sessions ? Чем не угодили куки ?

• Куки подвержены CSRF: https://habr.com/ru/company/oleg-bunin/blog/412855 https://www.youtube.com/watch?v=x5AuK_IbJlg
• Нативыным приложениям для сматфонов удобнее работать с токенами. Да есть хаки для работы с куки, но это не нативная поддержка
• Куки в микросерисной архитектуре использовать не вариант. Напомню зачастую микросервисы раскиданы на разных доменах, а куки не поддерживают кросc-доменные запросы
• В микросерисной архитектуре JWT позволяет каждому сервису независимо от сервера авторизации верифицировать access токен (через публичный ключ)
• При использовании cookie sessions программист зачастую надеется на то, что предоставил фреймворк и оставляет как есть
• При использовании jwt мы видим проблему с безопасностью и стараемся предусмотреть механизмы контроля в случае каржи авторизационных данных. При использовании cookie сессий программист зачастую даже не задумывается что сессия может быть скомпрометирована
• На каждом запросе использование JWT избавляет бекенд от одного запроса в БД(или кеш) за данными пользователя(userId, email, etc.)

В итоге:

• access токены храним исключительно в памяти клиентского приложения. Не в глобально доступной переменной аля window.accessToken а в замыкании
• refresh токен храним исключительно в httpOnly куке
• Механизмы контроля при угоне sensitive data в наличии
• Взяли лучшее из обеих технологий, максимально обезопасились от CSRF/XSS
• Добавьте в компанию ко всему CSP заголовки и SameSite=Strict флаг для кук и ждите прихода злодеев

p.s. Каждой задаче свой подход. Юзайте в небольших/средних монолитах cookie sessions и не парьтесь. Ну или на ваш вкус :)

---

Имплементация:

Front-end:

• https://github.com/zmts/beauty-vuejs-boilerplate/blob/master/src/services/http.init.js
• https://github.com/zmts/beauty-vuejs-boilerplate/blob/master/src/services/auth.service.js

Back-end:

• https://github.com/zmts/supra-api-nodejs/tree/master/modules/auth

Info:

• https://www.youtube.com/playlist?list=PLvTBThJr861y60LQrUGpJNPu3Nt2EeQsP
• https://habrahabr.ru/company/Voximplant/blog/323160/
• https://tools.ietf.org/html/rfc6749
• https://www.digitalocean.com/community/tutorials/oauth-2-ru
• https://jwt.io/introduction/
• https://auth0.com/blog/using-json-web-tokens-as-api-keys/
• https://auth0.com/blog/cookies-vs-tokens-definitive-guide/
• https://auth0.com/blog/ten-things-you-should-know-about-tokens-and-cookies/
• https://auth0.com/blog/refresh-tokens-what-are-they-and-when-to-use-them/
• https://habr.com/company/dataart/blog/262817/
• https://habr.com/post/340146/
• https://habr.com/company/mailru/blog/115163/
• https://scotch.io/tutorials/authenticate-a-node-js-api-with-json-web-tokens
• https://egghead.io/courses/json-web-token-jwt-authentication-with-node-js
• https://www.digitalocean.com/community/tutorials/oauth-2-ru
• https://github.com/shieldfy/API-Security-Checklist/blob/master/README-ru.md
• https://www.youtube.com/watch?v=Ngh3KZcGNaU
• https://www.youtube.com/watch?v=R0-eoLp871s
• https://www.youtube.com/watch?v=u9hn3s2kUrg
• https://ain.ua/2020/02/29/adtech-bez-cookies/
• https://habr.com/ru/post/492830 (cookies SameSite)

And why JWT is bad

• http://cryto.net/~joepie91/blog/2016/06/13/stop-using-jwt-for-sessions/
• http://cryto.net/~joepie91/blog/2016/06/19/stop-using-jwt-for-sessions-part-2-why-your-solution-doesnt-work/
• https://medium.com/@cjainn/anatomy-of-a-jwt-token-part-1-8f7616113c14
• https://medium.com/@cjainn/anatomy-of-a-jwt-token-part-2-c12888abc1a2
• https://scotch.io/bar-talk/why-jwts-suck-as-session-tokens
• https://t.me/why_jwt_is_bad

---

Комментарии периодически подчищаются