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SpringBoot实现接口校验签名调用的项目实践

2023-09-16 10:02:43 作者：passerbyYSQ

在以SpringBoot开发后台API接口时,会存在哪些接口不安全的因素呢?通常如何去解决的呢?本文主要介绍了SpringBoot实现接口校验签名调用的项目实践,感兴趣的可以了解一下

概念

开放接口

开放接口是指不需要登录凭证就允许被第三方系统调用的接口。为了防止开放接口被恶意调用，开放接口一般都需要验签才能被调用。提供开放接口的系统下面统一简称为"原系统"。

验签

验签是指第三方系统在调用接口之前，需要按照原系统的规则根据所有请求参数生成一个签名（字符串），在调用接口时携带该签名。原系统会验证签名的有效性，只有签名验证有效才能正常调用接口，否则请求会被驳回。

接口验签调用流程

1. 约定签名算法

第三方系统作为调用方，需要与原系统协商约定签名算法（下面以SHA256withRSA签名算法为例）。同时约定一个名称（callerID），以便在原系统中来唯一标识调用方系统。

2. 颁发非对称密钥对

签名算法约定后之后，原系统会为每一个调用方系统专门生成一个专属的非对称密钥对（RSA密钥对）。私钥颁发给调用方系统，公钥由原系统持有。注意，调用方系统需要保管好私钥（存到调用方系统的后端）。因为对于原系统而言，调用方系统是消息的发送方，其持有的私钥唯一标识了它的身份是原系统受信任的调用方。调用方系统的私钥一旦泄露，调用方对原系统毫无信任可言。

3. 生成请求参数签名

签名算法约定后之后，生成签名的原理如下（活动图）。为了确保生成签名的处理细节与原系统的验签逻辑是匹配的，原系统一般都提供jar包或者代码片段给调用方来生成签名，否则可能会因为一些处理细节不一致导致生成的签名是无效的。

4. 请求携带签名调用

路径参数中放入约定好的callerID，请求头中放入调用方自己生成的签名

代码设计

1. 签名配置类

相关的自定义yml配置如下。RSA的公钥和私钥可以使用hutool的SecureUtil工具类来生成，注意公钥和私钥是base64编码后的字符串

定义一个配置类来存储上述相关的自定义yml配置

import cn.hutool.crypto.asymmetric.SignAlgorithm;
import lombok.Data;
import org.springframework.boot.autoconfigure.condition.ConditionalOnProperty;
import org.springframework.boot.context.properties.ConfigurationProperties;
import org.springframework.stereotype.Component;
import java.util.Map;
/**
 * 签名的相关配置
 */
@Data
@ConditionalOnProperty(value = "secure.signature.enable", havingValue = "true")  // 根据条件注入bean
@Component
@ConfigurationProperties("secure.signature")
public class SignatureProps {
    private Boolean enable;
    private Map<String, KeyPairProps> keyPair;
    @Data
    public static class KeyPairProps {
        private SignAlgorithm algorithm;
        private String publicKeyPath;
        private String publicKey;
        private String privateKeyPath;
        private String privateKey;
    }
}

2. 签名管理类

定义一个管理类，持有上述配置，并暴露生成签名和校验签名的方法。

注意，生成的签名是将字节数组进行十六进制编码后的字符串，验签时需要将签名字符串进行十六进制解码成字节数组

import cn.hutool.core.io.IoUtil;
import cn.hutool.core.io.resource.ResourceUtil;
import cn.hutool.core.util.HexUtil;
import cn.hutool.crypto.SecureUtil;
import cn.hutool.crypto.asymmetric.Sign;
import org.springframework.boot.autoconfigure.condition.ConditionalOnBean;
import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.util.ObjectUtils;
import top.ysqorz.signature.model.SignatureProps;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
@ConditionalOnBean(SignatureProps.class)
@Component
public class SignatureManager {
    private final SignatureProps signatureProps;
    public SignatureManager(SignatureProps signatureProps) {
        this.signatureProps = signatureProps;
        loadKeyPairByPath();
    }
    /**
     * 验签。验证不通过可能抛出运行时异常CryptoException
     *
     * @param callerID  调用方的唯一标识
     * @param rawData   原数据
     * @param signature 待验证的签名(十六进制字符串)
     * @return 验证是否通过
     */
    public boolean verifySignature(String callerID, String rawData, String signature) {
        Sign sign = getSignByCallerID(callerID);
        if (ObjectUtils.isEmpty(sign)) {
            return false;
        }
        // 使用公钥验签
        return sign.verify(rawData.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), HexUtil.decodeHex(signature));
    }
    /**
     * 生成签名
     *
     * @param callerID 调用方的唯一标识
     * @param rawData  原数据
     * @return 签名(十六进制字符串)
     */
    public String sign(String callerID, String rawData) {
        Sign sign = getSignByCallerID(callerID);
        if (ObjectUtils.isEmpty(sign)) {
            return null;
        }
        return sign.signHex(rawData);
    }
    public SignatureProps getSignatureProps() {
        return signatureProps;
    }
    public SignatureProps.KeyPairProps getKeyPairPropsByCallerID(String callerID) {
        return signatureProps.getKeyPair().get(callerID);
    }
    private Sign getSignByCallerID(String callerID) {
        SignatureProps.KeyPairProps keyPairProps = signatureProps.getKeyPair().get(callerID);
        if (ObjectUtils.isEmpty(keyPairProps)) {
            return null; // 无效的、不受信任的调用方
        }
        return SecureUtil.sign(keyPairProps.getAlgorithm(), keyPairProps.getPrivateKey(), keyPairProps.getPublicKey());
    }
    /**
     * 加载非对称密钥对
     */
    private void loadKeyPairByPath() {
        // 支持类路径配置，形如：classpath:secure/public.txt
        // 公钥和私钥都是base64编码后的字符串
        signatureProps.getKeyPair()
                .forEach((key, keyPairProps) -> {
                    // 如果配置了XxxKeyPath，则优先XxxKeyPath
                    keyPairProps.setPublicKey(loadKeyByPath(keyPairProps.getPublicKeyPath()));
                    keyPairProps.setPrivateKey(loadKeyByPath(keyPairProps.getPrivateKeyPath()));
                    if (ObjectUtils.isEmpty(keyPairProps.getPublicKey()) ||
                            ObjectUtils.isEmpty(keyPairProps.getPrivateKey())) {
                        throw new RuntimeException("No public and private key files configured");
                    }
                });
    }
    private String loadKeyByPath(String path) {
        if (ObjectUtils.isEmpty(path)) {
            return null;
        }
        return IoUtil.readUtf8(ResourceUtil.getStream(path));
    }
}

3. 自定义验签注解

有些接口需要验签，但有些接口并不需要，为了灵活控制哪些接口需要验签，自定义一个验签注解

import java.lang.annotation.*;

/**
 * 该注解标注于Controller类的方法上，表明该请求的参数需要校验签名
 */
@Documented
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target({ElementType.METHOD, ElementType.TYPE})
public @interface VerifySignature {
}

4. AOP实现验签逻辑

验签逻辑不能放在拦截器中，因为拦截器中不能直接读取body的输入流，否则会造成后续@RequestBody的参数解析器读取不到body。

由于body输入流只能读取一次，因此需要使用ContentCachingRequestWrapper包装请求，缓存body内容（见第5点），但是该类的缓存时机是在@RequestBody的参数解析器中。

因此，满足2个条件才能获取到ContentCachingRequestWrapper中的body缓存：

接口的入参必须存在@RequestBody
读取body缓存的时机必须在@RequestBody的参数解析之后，比如说：AOP、Controller层的逻辑内。注意拦截器的时机是在参数解析之前的

综上，注意，标注了@VerifySignature注解的controlle层方法的入参必须存在@RequestBody，AOP中验签时才能获取到body的缓存！

import cn.hutool.crypto.CryptoException;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.aspectj.lang.annotation.Aspect;
import org.aspectj.lang.annotation.Before;
import org.aspectj.lang.annotation.Pointcut;
import org.springframework.boot.autoconfigure.condition.ConditionalOnBean;
import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.util.ObjectUtils;
import org.springframework.web.context.request.RequestAttributes;
import org.springframework.web.context.request.ServletWebRequest;
import org.springframework.web.servlet.HandlerMapping;
import org.springframework.web.util.ContentCachingRequestWrapper;
import top.ysqorz.common.constant.BaseConstant;
import top.ysqorz.config.SpringContextHolder;
import top.ysqorz.config.aspect.PointCutDef;
import top.ysqorz.exception.auth.AuthorizationException;
import top.ysqorz.exception.param.ParamInvalidException;
import top.ysqorz.signature.model.SignStatusCode;
import top.ysqorz.signature.model.SignatureProps;
import top.ysqorz.signature.util.CommonUtils;
import javax.annotation.Resource;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Map;
@ConditionalOnBean(SignatureProps.class)
@Component
@Slf4j
@Aspect
public class RequestSignatureAspect implements PointCutDef {
    @Resource
    private SignatureManager signatureManager;
    @Pointcut("@annotation(top.ysqorz.signature.enumeration.VerifySignature)")
    public void annotatedMethod() {
    }
    @Pointcut("@within(top.ysqorz.signature.enumeration.VerifySignature)")
    public void annotatedClass() {
    }
    @Before("apiMethod() && (annotatedMethod() || annotatedClass())")
    public void verifySignature() {
        HttpServletRequest request = SpringContextHolder.getRequest();
        String callerID = request.getParameter(BaseConstant.PARAM_CALLER_ID);
        if (ObjectUtils.isEmpty(callerID)) {
            throw new AuthorizationException(SignStatusCode.UNTRUSTED_CALLER); // 不受信任的调用方
        }
        // 从请求头中提取签名，不存在直接驳回
        String signature = request.getHeader(BaseConstant.X_REQUEST_SIGNATURE);
        if (ObjectUtils.isEmpty(signature)) {
            throw new ParamInvalidException(SignStatusCode.REQUEST_SIGNATURE_INVALID); // 无效签名
        }
        // 提取请求参数
        String requestParamsStr = extractRequestParams(request);
        // 验签。验签不通过抛出业务异常
        verifySignature(callerID, requestParamsStr, signature);
    }
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public String extractRequestParams(HttpServletRequest request) {
        // @RequestBody
        String body = null;
        // 验签逻辑不能放在拦截器中，因为拦截器中不能直接读取body的输入流，否则会造成后续@RequestBody的参数解析器读取不到body
        // 由于body输入流只能读取一次，因此需要使用ContentCachingRequestWrapper包装请求，缓存body内容，但是该类的缓存时机是在@RequestBody的参数解析器中
        // 因此满足2个条件才能使用ContentCachingRequestWrapper中的body缓存
        // 1. 接口的入参必须存在@RequestBody
        // 2. 读取body缓存的时机必须在@RequestBody的参数解析之后，比如说：AOP、Controller层的逻辑内。注意拦截器的时机是在参数解析之前的
        if (request instanceof ContentCachingRequestWrapper) {
            ContentCachingRequestWrapper requestWrapper = (ContentCachingRequestWrapper) request;
            body = new String(requestWrapper.getContentAsByteArray(), StandardCharsets.UTF_8);
        }
        // @RequestParam
        Map<String, String[]> paramMap = request.getParameterMap();
        // @PathVariable
        ServletWebRequest webRequest = new ServletWebRequest(request, null);
        Map<String, String> uriTemplateVarNap = (Map<String, String>) webRequest.getAttribute(
                HandlerMapping.URI_TEMPLATE_VARIABLES_ATTRIBUTE, RequestAttributes.SCOPE_REQUEST);
        return CommonUtils.extractRequestParams(body, paramMap, uriTemplateVarNap);
    }
    /**
     * 验证请求参数的签名
     */
    public void verifySignature(String callerID, String requestParamsStr, String signature) {
        try {
            boolean verified = signatureManager.verifySignature(callerID, requestParamsStr, signature);
            if (!verified) {
                throw new CryptoException("The signature verification result is false.");
            }
        } catch (Exception ex) {
            log.error("Failed to verify signature", ex);
            throw new AuthorizationException(SignStatusCode.REQUEST_SIGNATURE_INVALID); // 转换为业务异常抛出
        }
    }
}

import org.aspectj.lang.annotation.Pointcut;
public interface PointCutDef {
    @Pointcut("execution(public * top.ysqorz..controller.*.*(..))")
    default void controllerMethod() {
    }
    @Pointcut("@annotation(org.springframework.web.bind.annotation.PostMapping)")
    default void postMapping() {
    }
    @Pointcut("@annotation(org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping)")
    default void getMapping() {
    }
    @Pointcut("@annotation(org.springframework.web.bind.annotation.PutMapping)")
    default void putMapping() {
    }
    @Pointcut("@annotation(org.springframework.web.bind.annotation.DeleteMapping)")
    default void deleteMapping() {
    }
    @Pointcut("@annotation(org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping)")
    default void requestMapping() {
    }
    @Pointcut("controllerMethod() && (requestMapping() || postMapping() || getMapping() || putMapping() || deleteMapping())")
    default void apiMethod() {
    }
}

5. 解决请求体只能读取一次

解决方案就是包装请求，缓存请求体。SpringBoot也提供了ContentCachingRequestWrapper来解决这个问题。但是第4点中也详细描述了，由于它的缓存时机，所以它的使用有限制条件。也可以参考网上的方案，自己实现一个请求的包装类来缓存请求体

import lombok.NonNull;
import org.springframework.boot.autoconfigure.condition.ConditionalOnBean;
import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.web.filter.OncePerRequestFilter;
import org.springframework.web.util.ContentCachingRequestWrapper;
import top.ysqorz.signature.model.SignatureProps;
import javax.servlet.FilterChain;
import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.IOException;
@ConditionalOnBean(SignatureProps.class)
@Component
public class RequestCachingFilter extends OncePerRequestFilter {
    /**
     * This {@code doFilter} implementation stores a request attribute for
     * "already filtered", proceeding without filtering again if the
     * attribute is already there.
     *
     * @param request     request
     * @param response    response
     * @param filterChain filterChain
     * @see #getAlreadyFilteredAttributeName
     * @see #shouldNotFilter
     * @see #doFilterInternal
     */
    @Override
    protected void doFilterInternal(@NonNull HttpServletRequest request, @NonNull HttpServletResponse response, @NonNull FilterChain filterChain)
            throws ServletException, IOException {
        boolean isFirstRequest = !isAsyncDispatch(request);
        HttpServletRequest requestWrapper = request;
        if (isFirstRequest && !(request instanceof ContentCachingRequestWrapper)) {
            requestWrapper = new ContentCachingRequestWrapper(request);
        }
        filterChain.doFilter(requestWrapper, response);
    }
}

注册过滤器

import org.springframework.boot.autoconfigure.condition.ConditionalOnBean;
import org.springframework.boot.web.servlet.FilterRegistrationBean;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import top.ysqorz.signature.model.SignatureProps;
@Configuration
public class FilterConfig {
    @ConditionalOnBean(SignatureProps.class)
    @Bean
    public FilterRegistrationBean<RequestCachingFilter> requestCachingFilterRegistration(
            RequestCachingFilter requestCachingFilter) {
        FilterRegistrationBean<RequestCachingFilter> bean = new FilterRegistrationBean<>(requestCachingFilter);
        bean.setOrder(1);
        return bean;
    }
}

6. 自定义工具类

import cn.hutool.core.util.StrUtil;
import org.springframework.lang.Nullable;
import org.springframework.util.ObjectUtils;
import java.util.Arrays;
import java.util.Map;
import java.util.stream.Collectors;
public class CommonUtils {
    /**
     * 提取所有的请求参数，按照固定规则拼接成一个字符串
     *
     * @param body              post请求的请求体
     * @param paramMap          路径参数(QueryString)。形如：name=zhangsan&age=18&label=A&label=B
     * @param uriTemplateVarNap 路径变量(PathVariable)。形如：/{name}/{age}
     * @return 所有的请求参数按照固定规则拼接成的一个字符串
     */
    public static String extractRequestParams(@Nullable String body, @Nullable Map<String, String[]> paramMap,
                                              @Nullable Map<String, String> uriTemplateVarNap) {
        // body: { userID: "xxx" }
        // 路径参数
        // name=zhangsan&age=18&label=A&label=B
        // => ["name=zhangsan", "age=18", "label=A,B"]
        // => name=zhangsan&age=18&label=A,B
        String paramStr = null;
        if (!ObjectUtils.isEmpty(paramMap)) {
            paramStr = paramMap.entrySet().stream()
                    .sorted(Map.Entry.comparingByKey())
                    .map(entry -> {
                        // 拷贝一份按字典序升序排序
                        String[] sortedValue = Arrays.stream(entry.getValue()).sorted().toArray(String[]::new);
                        return entry.getKey() + "=" + joinStr(",", sortedValue);
                    })
                    .collect(Collectors.joining("&"));
        }
        // 路径变量
        // /{name}/{age} => /zhangsan/18 => zhangsan,18
        String uriVarStr = null;
        if (!ObjectUtils.isEmpty(uriTemplateVarNap)) {
            uriVarStr = joinStr(",", uriTemplateVarNap.values().stream().sorted().toArray(String[]::new));
        }
        // { userID: "xxx" }#name=zhangsan&age=18&label=A,B#zhangsan,18
        return joinStr("#", body, paramStr, uriVarStr);
    }
    /**
     * 使用指定分隔符，拼接字符串
     *
     * @param delimiter 分隔符
     * @param strs      需要拼接的多个字符串，可以为null
     * @return 拼接后的新字符串
     */
    public static String joinStr(String delimiter, @Nullable String... strs) {
        if (ObjectUtils.isEmpty(strs)) {
            return StrUtil.EMPTY;
        }
        StringBuilder sbd = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < strs.length; i++) {
            if (ObjectUtils.isEmpty(strs[i])) {
                continue;
            }
            sbd.append(strs[i].trim());
            if (!ObjectUtils.isEmpty(sbd) && i < strs.length - 1 && !ObjectUtils.isEmpty(strs[i + 1])) {
                sbd.append(delimiter);
            }
        }
        return sbd.toString();
    }
}

代码地址：GitHub - passerbyYSQ/DemoRepository: 各种开发小demo

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