从零搭建一个IdentityServer——聊聊Asp.net core中的身份验证与授权

　　OpenIDConnect是一个身份验证服务，而Oauth2.0是一个授权框架，在前面几篇文章里通过IdentityServer4实现了基于Oauth2.0的客户端证书(Client_Credentials)、用户名密码(Password)的授权流程，同时也实现OpenIDConnect的授权码(Authorization Code)、隐式流程(Implicit)的身份验证。
　　？？？啥？一会儿是授权一会儿是身份验证，身份验证与授权傻傻分不清楚？？本文就来聊一聊Asp.net core中的身份验证与授权。
　　本文主要内容有：

身份验证与授权

　　以前写过一篇asp.net identity的文章（//www.cnblogs.com/selimsong/p/7828326.html）已经提到过身份验证与授权的概念，简单来说身份验证就是“是谁”的问题，而授权就是“能不能”的问题，一般来说首先需要知道“是谁”，然后再判断“能不能”。
　　这里举个生活中常见的小栗子，锁是门用来保护门内财产的工具，而随着科技发展现在有了指纹锁，指纹锁的特征是它既可以通过指纹来开锁，也可以通过钥匙开锁，对于指纹开锁时首先需要录入指纹并指定一个指纹身份，比如保姆阿姨，首先需要的就是给她录入指纹，然后允许该指纹在上午6点至晚上10点可以开门，那么最终保姆阿姨在开门时，授权识别指纹，通过指纹匹配到或者说知道是保姆，这里就是身份验证，如果陌生人进行指纹匹配那么将匹配不到任何身份，但是能否开门还得根据设定的规则，那就是开门时间是否在规定的时间范围内，满足条件才能开门，这就是授权。
　　当然在开门这个问题上还有一个Bug，那就是钥匙，只要拥有钥匙，不管是谁都能开门，获得钥匙就是获得授权。
　　在软件系统中通常使用的用户名密码登录实际上就是身份验证功能，用户登录后系统就记住这一状态，后续访问系统时系统就知道“是谁”在访问系统，然后因为已经知道是谁，那么就可以根据具体访问条件来判断用户“能不能”访问资源，这就是授权。

Asp.net core中的身份验证与授权

　　首先需要再次明确一下Asp.net core是一个Web框架，它本身就具有一些特性，这其中就包括了身份验证和授权。
　　在Asp.net core中的身份验证和授权是通过中间件完成的，而把一个中间件添加到asp.net core的应用程序中一般只需要两个步骤，第一是对相关中间件所需参数及服务进行配置，第二就是将相应的中间件添加到请求管道中即可。
　　下图为基于OpenIDConnect客户端程序的身份验证配置：
　　
　　下图为基于OpenIDConnect客户端程序的身份验证及授权中间件配置：
　　
　　以上代码并没有额外的配置授权策略，但是可以通过Authorize特性来提供最基础的授权（授权通过身份验证的用户）。另外需要注意的是Authorize特性是需要搭配Authorization中间件来使用的，如下图所示：
　　
　　另外基于Identity组件的身份验证代码中没有出现AddAuthentication及AddCookie方法，而是通过AddDefaultIdentity就可以完成身份验证，是因为AddDefaultIdentity方法中包含了相关方法调用：
　　
　　AddDefaultIndeity方法代码：
　　完成配置后就可以在应用程序中使用身份验证及授权功能了。
　　关于asp.net core官方提供的身份验证方式，我们可以直接看看GitHub上的代码：
　　
　　从图中可以看到有基于Cookie、Jwt Bearer、Oauth、OpenIdConnect也有基于Facebook、Google、MicrosoftAccount、Twitter的，如果非官方的话应该还能找到基于微信、支付宝等账号的登录开源库。
　　总的来说asp.net core的身份验证可以支持现有的大部分常用方式或协议，同时也支持第三方的账户登录。

Asp.net core身份验证及授权的基本原理

Scheme与身份验证处理器

　　Scheme和处理器可以简单的理解为一个键值对，处理器是用于实际处理身份验证逻辑的代码，Scheme就是这个处理器的标识，通过Scheme可以直接获取到相应的处理器，然后通过处理器来完成身份验证。
　　Scheme是一个重要的概念，因为在asp.net core中它可以添加多个身份验证处理器，在Asp.net版本中，或者准确来讲Owin中我们就提到过一个多重身份验证的概念（ASP.NET没有魔法——ASP.NET Identity 的“多重”身份验证）实际上也就是在一个应用里面添加了多个身份验证处理器，换句话说就是一个应用程序支持多种身份验证(登录)方式。asp.net core中管理多个身份验证处理器的核心就是基于Scheme，还记得本文上面oidc验证添加的服务配置代码吗。
　　
　　在这段代码中设置了身份验证的默认Scheme以及默认ChallengeScheme，关于Scheme的作用请往下看。
　　注：asp.net 与asp.net core中的身份验证机制有共同点也有区别，总体来说asp.net core基于scheme的身份验证管理机制逻辑上和性能上会更好(毕竟是最新的产物)。
　　关于身份验证处理器，它实际上就是一个实现IAuthenticationHandler接口的类型，它提供了身份验证所需的具体实现逻辑：
　　

三个方法Authenticate、Challenge、Forbid

　　这三个方法是asp.net core身份验证/授权中的基础，它们分别代表身份验证、质疑和禁止，每一个身份验证处理器都需要实现这三个方法，下面简单介绍一下这三个方法：
　　Authenticate：
  • 身份验证调用和核心逻辑，换句话就是证明“是谁”的方法。
  • 拟人化来说就是检查身份证同时与持有人是否匹配的过程。
  • 在程序中就是检查cookie、jwt token、id token等是否有效，以及信息载体中标记的用户“是谁”
　　Challenge：
  • 可翻译为“怀疑/质疑”，实际上就是身份验证没有成功后调用的方法。
  • 拟人化来说就是“我”不知道你“是谁”，但“我”需要知道，所以“我”会问“你是谁？把你的身份证给我看一下？”
  • 在程序中一般的过程就是重定向到登录页面，通过登录方式告诉系统“是谁”。对于Api一类没有UI的程序时，就返回401状态码告知未通过身份验证。
　　Forbid：
  • 这个方法用于授权，授权失败时调用该方法。
  • 这个方法相对简单，当程序存在UI时，通过UI告知用户无权限禁止访问即可，对于Api一类没有UI的程序时，通过返回403状态码告知无权限。

两个中间件AuthenticationMiddleware、AuthorizationMiddleware

　　身份验证中间件（AuthenticationMiddleware），只做三件事：
　　1. 处理身份验证请求，如oidc的由身份验证服务器完成id_token生成跳转的/signi-oidc。
　　2. 处理默认scheme的身份验证流程。
　　3. 如果身份验证通过后将验证结果的主体信息(Principal)放到HttpContext中。
　　
　　授权中间件（AuthorizationMiddleware）主要是通过一系列终结点授权信息获取、执行后根据授权执行结果来决定是challenge、forbidden还是拥有权限可进入资源访问（参考：　　//github.com/dotnet/aspnetcore/blob/main/src/Security/Authorization/Policy/src/AuthorizationMiddleware.cs  //github.com/dotnet/aspnetcore/blob/main/src/Security/Authorization/Policy/src/AuthorizationMiddlewareResultHandler.cs）：
　　
　　注：如果所访问的资源没有授权相关的限制，那么请求将跳过授权步骤直接往下访问。

三个对象HttpContext、ClaimsIdentity、AuthenticationProperties

　　首先我们来看看ClaimsIdentity，它实际上是一组Claim的集合，每个Claim代表用户身份的一个属性的键值对，一组Claim可以表示某一方面的用户信息特性，除此之外它还包含是否通过验证(IsAuthenticated)以及验证方式(AuthenticationType)等信息。
　　下图为通过oidc身份验证的ClaimsIdentity信息，HttpConext对象中包含的User是ClaimsPrincipal（声明的主体），一个主体里面包含多个ClaimsIdentity信息:
　　
　　这里可以这么理解这些对象：
　　1. 我们每个人都有身份证、护照、户口册、驾照等可以证明我们身份的东西，这相当于一个ClaimsPrincipal可以拥有多个ClaimsIdentity。
　　2. 身份证上面有姓名、身份证号等属性，相当于一个ClaimsIdentity包含多个Claim。
　　3. 关于Claim它代表一个用户信息属性，并且一些属性名称是有相关定义的，具体参考：//docs.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.security.claims.claimtypes?view=net-5.0。
　　4. 每个身份证明它的识别方法不一样，比如身份证可以通过身份证识别器识别、户口册可以在公安局识别，这个相当于每个ClaimsIdentity中的AuthenticationType。
 
　　AuthenticationProperties：它是一个用来存储身份验证会话数据的字典，oidc流程中IdentityServer返回的Id_token及access_token等信息就是存储到AuthenticationProperties中。
 
　　HttpContext：Http上下文对象，是整个请求的核心，包含了Http请求及响应的所有内容，但是在身份验证/授权方面，它有另一个角色——身份验证服务代理，通过HttpContext我们可以调用身份验证服务的相关方法，包括身份验证和授权中间件的Challenge等方法调用都是通过HttpContext完成的。
　　下图为HttpContext在Authentication命名空间下的拓展方法定义：
　　
　　下图为IAuthenticationService的方法定义，HttpContext通过容器获取IAuthenticationService的实例进行调用，而IAuthenticationService最终实际上调用的是指定或默认身份验证处理器的相关方法：
　　

Signin与身份信息载体

　　前面文章详细讲解了身份验证的相关细节，但唯独没说的就是登录。登录到底是做了什么事情？在了解登录之前我们先来了解一个概念“身份信息载体”，其实也就字面意思，承载身份信息的物体，在现实生活中我们的身份信息载体是“身份证”等等实际物品，而在信息系统中信息载体就是一段数据，这段数据为了能让相关程序或者广大程序所理解，它应该按照具体的协议来创建，信息系统中常用的身份信息载体有Cookie以及Jwt（Json web token）。
　　Cookie:
　　我们都知道http是一个无状态协议，但是大部分时候我们需要它“有”状态，Cookie作为一项浏览器数据存储技术，它经常用于存储一些状态信息，用于下一次发起请求的时候服务器能够了解当前请求的状态。所以Cookie非常适合作为身份信息载体，当然asp.net core的基于Cookie身份验证是这样做的，将用户信息(ClaimsIdentity)加密后存储到Cookie中，下次从Cookie中获取数据，解密后获得用户信息并完成身份验证。
　　Jwt:
　　Jwt是一种基于Json的安全信息传输标准，Jwt因为带有数字签名的，可以保证数据完整性，就想我们的身份证一样不能伪造，所以也很适合作为身份信息载体。
 
　　Cookie和Jwt各有特点，可适用于不同的应用场景，如Cookie它本身有域特性，现在的单页应用程序它会存在跨域问题，而Jwt虽然能保证数据完整，但是它本身不是加密的(但是传输过程可以加密，并且生产一般必须加密，如https)，所以Jwt中的身份信息很容易泄漏，所以它比较适合更封闭的客户端，如服务端与服务端通讯、手机App等。
 
　　现在我们再回来聊登录，登录实际上就是将身份信息写到身份信息载体的过程。基于Cookie的就写Cookie，基于Jwt的就颁发Jwt，但是需要注意的是一般jwt由第三方身份验证服务器颁发，所以应用程序本身是不需要关注的，所以这里主要讲讲基于Cookie的登录。
　　下面我们做一个基于Cookie登录的小实验，首先做一个简单的基于Identity的登录功能：
　　
　　设置断点后，直接访问登录页面进行登录，在登录信息提交后我们可以看到User信息是空的：
　　
　　登录之后仍然没有用户信息：
　　
　　但是在ResponseHeader的HeaderSetCookie信息中我们找到了如下信息：
　　看到它即将写入cookie中带有它创建的身份信息载体。这个就是登录生成身份信息载体的过程，至于登陆后即可访问保护内容，是因为登录完成后做了跳转，跳转后将携带身份信息发起请求后既可以完成身份验证，从而可以访问受保护内容。
　　注：Identity提供的登录功能最终也是通过HttpContext的拓展方法通过IAuthenticationService来完成的，具体可参考相关源码，这里不在赘述。

自主登录与外部登录

　　自主登录指的是应用程序本身提供了用户身份核对(用户名+密码登录)，然后拥有用户信息自主权(应用程序保存了与用户相关的信息)，最后根据用户信息来生成用户信息载体的登录方式。如Asp.net core Identity提供的就是一种自主登录方式。
　　外部登录指的是由第三方程序来对用户身份核对，并提供相关用户信息交由程序本身来生成用户信息载体的，或者直接由第三方程序生成用户信息载体的方式。
　　如本系列文章介绍的oidc的身份验证就是由IdentityServer提供用户身份核对并提供用户信息(UserInfo EndPoint)，然后交由客户端程序来生成身份信息载体Cookie。
　　而如果通过IdentityServer直接通过Oauth2.0流程获得Access Token的方式就相当于由第三方程序生成用户信息载体，客户端直接验证用户信息载体即可完成后续的身份验证。

Asp.net core身份验证及授权流程

　　前面内容详细介绍了Asp.net core身份验证相关的一些基础原理，下面就通过一个流程图来介绍一下完整的身份验证和授权流程：
　　
　　从图中我们可以找到3个主体分别是：浏览器、Asp.net core应用程序以及第三方验证服务。
　　整个流程的开始可能是通过访问受保护资源、自主登录系统或者外部登录系统开始，但是登录的目的在于访问受保护资源，下面就简单对访问受保护资源流程进行梳理：
　　1. 浏览器发起受保护资源访问请求(没有Cookie).
　　2. 服务器对请求进行身份验证，因为没有Cookie返回一个失败结果。
　　3. 因为验证结果为失败，所以没有ClamsIdentity信息，赋值到HttpContext.User也为空。
　　4. 进行授权判断，因为没有经过身份验证，所以调用质疑操作(Challenge)，由默认的ChallengeScheme决定是自主登录还是外部登录。
　　5. 如果是自主登录，那么跳转到应用登录页面完成登录，并根据用户信息生成ClaimsIdentity。
　　5. 如果是外部登录，那么跳转到第三方登录页面完成登录，并回到自主应用的回调地址对第三方返回的code、id_token及access_token进行处理，并获取用户信息，根据获取的用户信息生成ClaimsIdentity。
　　6. 系统将ClaimsIdentity信息生成身份信息载体(Cookie)并重定向回之前访问的资源。
　　7. 重定向后携带身份信息载体访问受保护资源，如果用户有权限，那么可访问资源，如果没有权限返回403禁止访问。
 
　　小提示：为什么asp.net core identity生成的UI代码中，外部登录执行的核心代码为ChallegeResult + (provider 和returnUrl)？
　　　

Asp.net core中的授权

　　前面详细介绍了Asp.net core中的身份验证，授权仅仅是其中的一环来帮助完成身份验证。那么Asp.net core中提供了哪些授权机制或者说要如何进行授权呢？
　　Asp.net core及Identity组件提供了简单的（只要通过身份验证）、基于角色的、基于声明(Claim)的、基于策略的授权机制，具体使用方式参考文档：//docs.microsoft.com/en-us/aspnet/core/security/authorization/introduction?view=aspnetcore-5.0
　　另外还给了一个如何实现数据增删改权限控制的例子：
　　上面这个例子告诉我们授权机制不仅仅局限于授权特性和中间件，我们可以把授权机制融入到我们的业务逻辑中。

小结

　　本篇文章从Asp.Net core介绍了身份验证和授权的基本概念和原理，通过流程图的方式展现了Asp.net core身份验证和授权的流程，最后简单介绍了授权的相关机制。
　　现在我们回到文章开头问的问题为什么IdentityServer4提供的功能中一会儿是身份验证，一会儿是授权？？
　　这个问题需要根据主体来看，首先我们看Oauth2.0，它的最终结果是一个Jwt的Bearer Token，这相当于给了你一把钥匙，使用这个钥匙你可以打开指定的门，所以它是一个授权。
　　然后来看看OIDC的授权码流程，它除了Access Token外实际上关键的是Id_token，证实了用户的身份，这相当于告诉你，用户是保姆阿姨，解决了“是谁”的问题，所以是身份验证。知道了是谁，至于开不开门，那是你(客户端程序)的授权问题。
　　最后来看看Asp.net core应用程序，在Asp.net core应用程序中不存在独立的授权，换句话就是没法单独使用授权功能，需要身份验证和授权功能联合使用，比如Oauth给了一把钥匙，但是Asp.net core仍要对钥匙进行验证，看清楚钥匙上贴了张三的名字，但很有可能这把钥匙是李四拿着。
 
参考：
以及文章中涉及的相关源代码

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