JWT在Serverless架构中的使用

Serverless 架构概述

Serverless 架构简介

Serverless 架构并非意味着完全没有服务器，而是开发者无需关心服务器的管理与维护。在这种架构下，云服务提供商负责服务器资源的动态分配、扩展与管理。开发者只需专注于编写业务逻辑代码，将其以函数的形式上传至云平台。这些函数在事件驱动的模式下运行，即当特定事件（如 HTTP 请求、文件上传等）发生时，云平台自动触发相应的函数执行。

例如，AWS Lambda 就是 Serverless 架构中函数计算的典型代表。开发者可以编写 Python、Node.js 等多种语言的函数代码，并部署到 AWS Lambda 平台。当有 API Gateway 转发过来的 HTTP 请求时，对应的 Lambda 函数就会被触发执行。

Serverless 架构的优势

1. 成本效益：传统架构下，即使应用处于低负载状态，也需要维持服务器资源以保证可用性，这意味着固定成本的支出。而 Serverless 架构按实际使用的资源量计费，在应用空闲时几乎不产生成本。例如，一个小型创业公司的后端 API 服务，在业务初期请求量较低，使用 Serverless 架构可以显著降低成本。随着业务发展，请求量增加，成本也会根据实际使用量线性增长，无需提前规划和投入大量硬件资源。
2. 可扩展性：Serverless 架构具备自动弹性扩展的能力。云平台会根据事件的触发频率自动调整函数的执行实例数量。以电商应用的促销活动为例，在活动期间，订单创建、商品查询等操作的请求量会大幅增加。Serverless 架构下，相关的函数可以迅速扩展实例数量以应对高并发，活动结束后，实例数量又会自动减少，避免资源浪费。
3. 开发效率：开发者无需关注服务器的配置、维护和扩展等繁琐工作，能够将更多精力投入到业务逻辑的实现上。同时，Serverless 架构通常提供丰富的 API 和 SDK，便于与其他云服务集成。例如，开发一个文件处理应用，利用 Serverless 架构可以轻松集成云存储服务（如 AWS S3），快速实现文件上传、下载和处理功能。

Serverless 架构面临的安全挑战

1. 身份认证与授权：由于 Serverless 架构下函数是分布式、事件驱动的，传统基于服务器的集中式认证方式难以适用。每个函数可能需要独立验证请求的合法性，确保只有授权用户能够访问特定函数或资源。例如，在一个多租户的 Serverless 应用中，不同租户的用户应该只能访问自己的数据相关的函数，这就需要精确的身份认证和授权机制。
2. 数据安全：数据在函数之间传输以及存储过程中存在风险。函数可能处理敏感信息，如用户的个人资料、金融数据等。若数据在传输过程中未加密，或者存储时未进行妥善保护，可能导致数据泄露。例如，函数从数据库读取用户的信用卡信息进行支付处理，如果传输过程没有加密，就可能被中间人窃取。
3. 函数安全：上传至云平台的函数代码可能存在漏洞，如 SQL 注入、代码注入等。恶意攻击者可能利用这些漏洞执行恶意代码，获取敏感信息或控制整个应用。同时，函数的依赖项也可能带来安全风险，若使用的开源库存在已知漏洞，可能影响整个应用的安全性。

JWT 原理与基础

JWT 概念

JSON Web Token（JWT）是一种开放标准（RFC 7519），用于在网络应用环境间安全地传输声明。它通常由三部分组成：头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature），并以点（.）分隔，形成 xxx.yyy.zzz 这样的字符串格式。

JWT 的组成部分

1. 头部（Header）：通常包含两部分信息，一是令牌的类型，如 JWT；二是使用的签名算法，如 HMAC SHA256 或 RSA。以下是一个 JSON 格式的头部示例：

{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}

然后，这个 JSON 对象会被 Base64Url 编码，形成 JWT 的第一部分。 2. 载荷（Payload）：载荷是存放实际需要传递的数据的地方。它可以包含标准声明（如 iss - 发行人、exp - 过期时间、sub - 主题等），也可以包含自定义声明。例如：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "iat": 1516239022
}

同样，这个 JSON 对象会被 Base64Url 编码，形成 JWT 的第二部分。需要注意的是，虽然载荷是经过编码的，但任何人都可以解码查看其中内容，所以不要在载荷中放置敏感信息，如密码等。 3. 签名（Signature）：要创建签名部分，需要使用编码后的头部、编码后的载荷、一个密钥（secret）和头部中指定的签名算法。例如，如果使用 HMAC SHA256 算法，签名将按如下方式创建：

HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret)

签名主要用于验证消息在传输过程中有没有被更改，并且在使用私钥签名的情况下，还可以验证 JWT 的发送者身份。

JWT 的工作流程

1. 用户认证：用户在客户端输入凭证（如用户名和密码），客户端将这些凭证发送到认证服务器。认证服务器验证凭证，如果凭证有效，生成一个 JWT。
2. JWT 传递：认证服务器将生成的 JWT 返回给客户端。客户端通常会将 JWT 存储在本地，如 localStorage 或 cookie 中（注意 localStorage 存在一定安全风险，建议使用 httpOnly cookie 存储 JWT 以防止 XSS 攻击窃取 JWT）。
3. 请求授权：当客户端需要访问受保护的资源时，它会在请求头中带上 JWT。例如，在 HTTP 请求中，将 JWT 放在 Authorization 头字段中，格式为 Bearer <JWT>。服务器接收到请求后，提取 JWT，并验证其有效性。如果 JWT 有效，服务器将允许客户端访问资源；否则，返回未授权错误。

JWT 在 Serverless 架构中的应用优势

无状态性与 Serverless 架构契合

1. Serverless 架构的无状态特性：Serverless 架构中的函数是无状态的，每次函数调用都是独立的，不依赖于之前调用的状态。这使得函数可以在不同的实例上运行，便于云平台进行弹性扩展。
2. JWT 的无状态优势：JWT 本身也是无状态的。服务器在验证 JWT 时，不需要在服务器端存储额外的会话信息。它只需要使用密钥对 JWT 进行签名验证，就可以确定 JWT 的有效性和其中包含的声明信息。这种无状态性与 Serverless 架构的无状态特性完美契合。例如，在一个由多个 Serverless 函数组成的 API 服务中，每个函数都可以独立验证 JWT，无需在函数间共享会话状态，提高了系统的可扩展性和灵活性。

跨函数与跨服务认证

1. Serverless 架构中的函数与服务交互：在 Serverless 架构中，一个完整的业务流程可能由多个函数和不同的云服务协同完成。例如，一个文件上传和处理的流程，可能涉及到 API Gateway 接收文件上传请求，触发 Lambda 函数将文件存储到 S3 存储桶，然后另一个 Lambda 函数从 S3 读取文件进行处理。
2. JWT 实现跨函数与跨服务认证：JWT 可以在整个业务流程中传递，实现跨函数和跨服务的统一认证。当用户通过 API Gateway 发起请求时，携带的 JWT 可以在后续触发的各个 Lambda 函数以及与 S3 等服务交互时，用于验证请求的合法性。这样，无需为每个函数或服务单独设置认证机制，简化了认证流程，提高了系统的安全性和可维护性。

减轻后端服务压力

1. 传统认证方式的压力：在传统的服务器架构中，认证通常依赖于服务器端的会话管理，这需要服务器存储大量的会话信息，并在每次请求时查询这些信息以验证用户身份。随着用户数量和请求量的增加，服务器的负载会显著上升。
2. JWT 减轻压力的原理：在 Serverless 架构中使用 JWT，服务器无需存储会话信息，只需要验证 JWT 的签名。由于 JWT 的验证过程相对简单，并且可以在函数内部快速完成，大大减轻了后端服务的压力。特别是在高并发场景下，这种优势更加明显，有助于提高整个系统的性能和响应速度。

JWT 在 Serverless 架构中的实现

选择合适的 JWT 库

1. 不同语言的 JWT 库：在 Serverless 架构中，根据所使用的编程语言，有多种 JWT 库可供选择。
   • Node.js：jsonwebtoken 是一个广泛使用的 JWT 库。它提供了简单易用的 API 来生成、验证和解析 JWT。例如，可以通过以下方式安装：npm install jsonwebtoken。
   • Python：PyJWT 是 Python 中常用的 JWT 库。可以使用 pip install PyJWT 进行安装。
   • Java：jjwt - api 和 jjwt - impl 是 Java 中用于处理 JWT 的库。可以通过 Maven 或 Gradle 引入依赖。
2. 库的功能特性考量：选择 JWT 库时，除了语言支持外，还需考虑其功能特性。例如，库是否支持多种签名算法，是否具备良好的错误处理机制，以及是否易于与现有的 Serverless 框架集成等。例如，jsonwebtoken 库在 Node.js 中不仅支持常见的 HMAC 和 RSA 签名算法，还提供了丰富的选项来处理过期时间、自定义声明等，方便在 Serverless 函数中灵活使用。

在 Serverless 函数中生成 JWT

1. Node.js 示例：以 AWS Lambda 函数使用 Node.js 为例，假设我们有一个用户认证函数，当用户认证成功后生成 JWT。首先确保安装了 jsonwebtoken 库。

const jwt = require('jsonwebtoken');
exports.handler = async (event, context) => {
    // 模拟用户认证逻辑，假设用户名和密码正确
    const { username, password } = JSON.parse(event.body);
    if (username === 'validUser' && password === 'validPassword') {
        const payload = {
            username: 'validUser',
            role: 'user'
        };
        const secret = 'your - secret - key';
        const token = jwt.sign(payload, secret, { expiresIn: '1h' });
        return {
            statusCode: 200,
            body: JSON.stringify({ token })
        };
    } else {
        return {
            statusCode: 401,
            body: JSON.stringify({ message: 'Unauthorized' })
        };
    }
};

2. Python 示例：在 AWS Lambda 函数使用 Python 时，使用 PyJWT 库生成 JWT。假设我们有一个 Flask 应用包装在 Lambda 函数中（使用 flask - lambda - wsgi 等工具）。

import jwt
from flask import Flask, request, jsonify

app = Flask(__name__)

@app.route('/login', methods=['POST'])
def login():
    data = request.get_json()
    username = data.get('username')
    password = data.get('password')
    if username == 'validUser' and password == 'validPassword':
        payload = {
            'username': 'validUser',
            'role': 'user'
        }
        secret = 'your - secret - key'
        token = jwt.encode(payload, secret, algorithm='HS256')
        return jsonify({'token': token}), 200
    else:
        return jsonify({'message': 'Unauthorized'}), 401


def lambda_handler(event, context):
    from flask_lambda_wsgi import handle_request
    return handle_request(app, event, context)

在 Serverless 函数中验证 JWT

1. Node.js 示例：在一个需要保护的 Node.js AWS Lambda 函数中验证 JWT。假设请求头中包含 Authorization 字段，格式为 Bearer <JWT>。

const jwt = require('jsonwebtoken');
exports.handler = async (event, context) => {
    const token = event.headers.Authorization && event.headers.Authorization.split(' ')[1];
    if (!token) {
        return {
            statusCode: 401,
            body: JSON.stringify({ message: 'No token provided' })
        };
    }
    const secret = 'your - secret - key';
    try {
        const decoded = jwt.verify(token, secret);
        // 验证成功，继续处理业务逻辑
        return {
            statusCode: 200,
            body: JSON.stringify({ message: 'Authenticated successfully', user: decoded })
        };
    } catch (err) {
        return {
            statusCode: 401,
            body: JSON.stringify({ message: 'Invalid token' })
        };
    }
};

2. Python 示例：在 Python 的 AWS Lambda 函数中验证 JWT。同样假设请求头中有 Authorization 字段。

import jwt
from flask import Flask, request, jsonify

app = Flask(__name__)

@app.route('/protected', methods=['GET'])
def protected():
    token = request.headers.get('Authorization')
    if not token:
        return jsonify({'message': 'No token provided'}), 401
    token = token.split(' ')[1]
    secret = 'your - secret - key'
    try:
        decoded = jwt.decode(token, secret, algorithms=['HS256'])
        return jsonify({'message': 'Authenticated successfully', 'user': decoded}), 200
    except jwt.ExpiredSignatureError:
        return jsonify({'message': 'Token has expired'}), 401
    except jwt.InvalidTokenError:
        return jsonify({'message': 'Invalid token'}), 401


def lambda_handler(event, context):
    from flask_lambda_wsgi import handle_request
    return handle_request(app, event, context)

JWT 在 Serverless 架构中的安全注意事项

密钥管理

1. 密钥的重要性：JWT 的安全性很大程度上依赖于密钥的保密性。如果密钥泄露，攻击者可以伪造有效的 JWT，从而访问受保护的资源。在 Serverless 架构中，由于函数可能分布在不同的环境中运行，密钥的管理变得尤为重要。
2. 密钥存储与保护：
   • 使用云服务的密钥管理服务：许多云服务提供商提供了密钥管理服务，如 AWS Key Management Service（KMS）、Google Cloud KMS 等。可以将 JWT 密钥存储在这些服务中，并通过 API 进行访问。这些服务提供了加密存储、访问控制和审计等功能，增强了密钥的安全性。
   • 避免硬编码密钥：在 Serverless 函数代码中，绝对不要硬编码 JWT 密钥。硬编码的密钥容易在代码泄露时导致安全风险。例如，将密钥存储在环境变量中，在函数运行时从环境变量中读取密钥。在 AWS Lambda 中，可以通过 Lambda 控制台的环境变量设置来存储密钥，函数代码可以通过 process.env.SECRET_KEY（Node.js）或 os.environ.get('SECRET_KEY')（Python）来获取密钥。

防止 JWT 劫持

1. JWT 劫持风险：JWT 通常存储在客户端，如 localStorage 或 cookie 中。如果客户端存在漏洞，如 XSS 漏洞，攻击者可能窃取 JWT，然后使用它来访问受保护的资源，这就是 JWT 劫持风险。
2. 防范措施：
   • 使用 httpOnly cookie：如果将 JWT 存储在 cookie 中，设置 httpOnly 属性为 true。这样，JWT 无法通过 JavaScript 访问，降低了 XSS 攻击窃取 JWT 的风险。例如，在 Node.js 的 Express 应用中，可以通过以下方式设置 cookie：

const express = require('express');
const app = express();
app.use((req, res) => {
    res.cookie('jwt', 'your - jwt - token', { httpOnly: true });
    res.send('Cookie set');
});

• 安全的传输协议：确保在客户端和服务器之间传输 JWT 时使用 HTTPS 协议。HTTPS 对传输的数据进行加密，防止中间人窃取 JWT。

过期时间设置与刷新

1. 合理设置过期时间：JWT 中的过期时间（exp 声明）应该根据应用的安全需求合理设置。如果过期时间过长，即使 JWT 被窃取，攻击者也有较长时间可以利用它访问资源；如果过期时间过短，用户可能需要频繁重新认证，影响用户体验。例如，对于一些对安全性要求较高的金融应用，JWT 的过期时间可以设置为较短，如 15 分钟；而对于一些普通的信息展示应用，过期时间可以设置为 1 小时或更长。
2. JWT 刷新机制：为了在不过度影响用户体验的情况下保证安全性，可以实现 JWT 刷新机制。当 JWT 过期时，客户端可以使用一个刷新令牌（Refresh Token）来获取新的 JWT。刷新令牌通常存储在服务器端，并且有较长的过期时间。例如，在一个基于 OAuth 2.0 的认证流程中，客户端在获取 JWT 的同时也获取一个刷新令牌。当 JWT 过期时，客户端将刷新令牌发送到认证服务器，认证服务器验证刷新令牌有效后，生成新的 JWT 返回给客户端。

验证签名算法

1. 签名算法验证的必要性：JWT 的头部中指定了签名算法，服务器在验证 JWT 时必须确保使用正确的签名算法。如果攻击者篡改了 JWT 头部的签名算法，服务器使用错误的算法验证，可能导致验证通过，从而使伪造的 JWT 能够访问受保护资源。
2. 验证实现：在验证 JWT 时，从 JWT 头部提取签名算法，并确保使用的 JWT 库按照提取的算法进行验证。例如，在 jsonwebtoken 库中，verify 方法会根据 JWT 头部的算法自动选择正确的验证方式。但在一些自定义的验证逻辑中，需要开发者手动处理算法验证。在 Python 的 PyJWT 库中，可以通过以下方式验证签名算法：

import jwt

token = 'your - jwt - token'
try:
    decoded = jwt.decode(token, 'your - secret - key', algorithms=['HS256'])
except jwt.InvalidAlgorithmError:
    print('Invalid signature algorithm')

与其他安全机制结合

与身份提供商集成

1. 身份提供商的作用：身份提供商（IdP）如 Okta、Auth0 等，可以提供集中式的用户身份管理和认证服务。在 Serverless 架构中与身份提供商集成，可以借助其强大的认证和授权功能，提高系统的安全性和可管理性。
2. 集成方式：
   • 使用 OpenID Connect（OIDC）：许多身份提供商支持 OIDC 协议。在 Serverless 架构中，可以配置 API Gateway 或 Lambda 函数与 OIDC 兼容的身份提供商进行集成。例如，在 AWS API Gateway 中，可以配置 OIDC 身份验证，将用户认证请求转发到身份提供商。用户在身份提供商完成认证后，身份提供商返回包含用户信息的 JWT。API Gateway 验证 JWT 后，将请求转发到后端的 Lambda 函数，函数可以根据 JWT 中的用户信息进行授权决策。
   • SAML 集成：对于一些企业级应用，可能会使用 SAML 协议与身份提供商集成。通过配置 SAML 身份验证，Serverless 应用可以利用企业现有的 SAML 身份基础设施进行用户认证。例如，在一个企业内部的 Serverless 应用中，与企业的 Active Directory Federation Services（AD FS）集成，使用 SAML 协议实现单点登录（SSO）功能。

基于角色的访问控制（RBAC）

1. RBAC 原理：基于角色的访问控制是一种广泛使用的授权模型。它将权限分配给角色，用户通过被分配到不同的角色来获取相应的权限。在 Serverless 架构中，结合 JWT 使用 RBAC 可以实现细粒度的访问控制。
2. 结合 JWT 实现 RBAC：可以在 JWT 的载荷中包含用户的角色信息。例如，在用户认证成功生成 JWT 时，将用户角色添加到载荷中：

const payload = {
    username: 'validUser',
    role: 'admin'
};
const token = jwt.sign(payload, secret, { expiresIn: '1h' });

在 Serverless 函数中验证 JWT 后，根据载荷中的角色信息进行授权决策。例如，只有 admin 角色的用户才能访问特定的管理功能的函数：

const decoded = jwt.verify(token, secret);
if (decoded.role === 'admin') {
    // 允许访问管理功能
} else {
    return {
        statusCode: 403,
        body: JSON.stringify({ message: 'Forbidden' })
    };
}

输入验证与数据过滤

1. 输入验证的重要性：即使通过 JWT 进行了身份认证和授权，恶意用户仍可能尝试通过发送恶意输入来攻击 Serverless 函数，如 SQL 注入、代码注入等。因此，输入验证和数据过滤是保证系统安全的重要环节。
2. 实现方法：
   • 使用参数校验库：在不同的编程语言中，有许多参数校验库可以使用。例如，在 Node.js 中可以使用 joi 库来验证请求参数。假设我们有一个接收用户 ID 的函数，使用 joi 进行验证：

const Joi = require('joi');
const schema = Joi.object({
    userId: Joi.string().pattern(/^[0 - 9a - fA - F]{24}$/).required()
});
exports.handler = async (event, context) => {
    const { error } = schema.validate(event.queryStringParameters);
    if (error) {
        return {
            statusCode: 400,
            body: JSON.stringify({ message: 'Invalid input' })
        };
    }
    // 继续处理业务逻辑
};

• 数据过滤：对于可能包含危险字符的输入，进行数据过滤。例如，在处理用户输入的文本时，过滤掉 <script> 等可能用于 XSS 攻击的标签。在 Python 中，可以使用 bleach 库进行 HTML 数据过滤：

import bleach

user_input = '<script>alert("XSS")</script>'
cleaned_input = bleach.clean(user_input)

通过上述对 JWT 在 Serverless 架构中的全面介绍，包括原理、应用优势、实现方式、安全注意事项以及与其他安全机制的结合，希望能帮助开发者在 Serverless 架构下构建更加安全可靠的后端应用。