探索Web Authentication API (WebAuthn)，学习如何在您的网站或应用程序中实现安全的无密码登录。通过这种现代身份验证方法提升安全性和用户体验。
Web Authentication API：无密码登录实现综合指南
在当今的数字环境中，安全至关重要。传统的基于密码的身份验证方法越来越容易受到网络钓鱼、暴力破解和凭证填充等攻击。Web Authentication API (WebAuthn)，也称为 FIDO2 客户端到身份验证器协议 (CTAP)，提供了一种现代、安全且用户友好的替代方案：无密码登录。本综合指南将引导您了解 WebAuthn 的原理、其优势以及如何在您的 Web 应用程序中有效实施它。
什么是 Web Authentication API (WebAuthn)？
Web Authentication API (WebAuthn) 是一项 Web 标准，使网站和应用程序能够利用生物识别（指纹、面部识别）、硬件安全密钥（YubiKey、Titan Security Key）和平台身份验证器（Windows Hello、macOS 上的 Touch ID）等强身份验证方法进行用户认证。它是 FIDO2 项目的核心组件，FIDO2 是一个旨在用更安全、更便捷的替代方案取代密码的开放式身份验证标准。
WebAuthn 基于公钥密码学的原理运作。它不在服务器上存储密码，而是依赖于一个加密密钥对：一个安全存储在用户设备上的私钥和一个在网站或应用程序上注册的公钥。当用户尝试登录时，他们使用生物识别传感器或安全密钥在本地进行身份验证，这将解锁私钥并允许浏览器生成一个签名的断言，向服务器证明其身份，而无需传输私钥本身。这种方法显著降低了与密码相关的攻击风险。
实施 WebAuthn 的好处
- 增强的安全性：WebAuthn 消除了密码，使您的应用程序免受网络钓鱼、暴力破解和凭证填充等基于密码的攻击。使用永不离开用户设备的私钥，增加了一层额外的安全性。
- 改善的用户体验：无密码登录简化了身份验证过程。用户可以使用生物识别或安全密钥快速轻松地登录，无需记住和输入复杂的密码。这种简化的体验可以提高用户满意度和参与度。
- 抗网络钓鱼：WebAuthn 身份验证器与网站或应用程序的来源（域名）绑定。这可以防止攻击者在欺诈性网站上使用窃取的凭证，使 WebAuthn 对网络钓鱼攻击具有高度抵抗力。
- 跨平台兼容性：所有主流浏览器和操作系统都支持 WebAuthn，确保在不同设备和平台上获得一致的身份验证体验。这种广泛的兼容性使其成为各种 Web 应用程序的可行解决方案。
- 合规与标准化：作为一项 Web 标准，WebAuthn 帮助组织遵守安全法规和行业最佳实践。其标准化确保了不同身份验证器和平台之间的互操作性。
- 降低支持成本：通过消除密码，WebAuthn 可以显著降低与密码重置、账户恢复和安全漏洞相关的支持成本。
WebAuthn 的关键概念
要有效实施 WebAuthn，理解以下关键概念至关重要：
- 信赖方 (Relying Party, RP)：这是使用 WebAuthn 进行身份验证的网站或应用程序。RP 负责发起身份验证过程并验证用户身份。
- 身份验证器 (Authenticator)：身份验证器是生成和存储加密密钥并执行身份验证操作的硬件或软件组件。例如安全密钥、指纹读取器和面部识别系统。
- 公钥凭证 (Public Key Credential)：这是一对与用户和身份验证器相关联的加密密钥（公钥和私钥）。公钥存储在信赖方的服务器上，而私钥安全地存储在用户的身份验证器上。
- 证明 (Attestation)：证明是身份验证器向信赖方提供有关其类型和功能的加密签名信息的过程。这允许 RP 验证身份验证器的真实性和可信度。
- 断言 (Assertion)：断言是由身份验证器生成的加密签名声明，用于向信赖方证明用户身份。该断言基于与用户公钥凭证关联的私钥。
- 用户验证 (User Verification)：这是指身份验证器在执行身份验证操作之前用于验证用户存在和同意的方法。例如指纹扫描、PIN 输入和面部识别。
- 用户在场 (User Presence)：这仅仅意味着用户物理上在场并与身份验证器进行交互（例如，轻触安全密钥）。
实施 WebAuthn：分步指南
实施 WebAuthn 涉及几个关键步骤。以下是该过程的总体概述：
1. 注册（凭证创建）
这是向信赖方注册新身份验证器的过程。
- 用户发起注册：用户在网站或应用程序上发起注册过程。
- 信赖方生成挑战：信赖方生成一个唯一的、加密安全的挑战（随机数据），并将其发送到用户的浏览器。这个挑战有助于防止重放攻击。RP 还提供诸如信赖方 ID (RP ID) 之类的信息，这通常是网站的域名。
- 浏览器联系身份验证器：浏览器使用 WebAuthn API 联系身份验证器。浏览器指定 RP ID、用户 ID 和挑战。
- 身份验证器生成密钥对：身份验证器生成一个新的公钥/私钥对。私钥安全地存储在身份验证器本身上。
- 身份验证器签署数据：身份验证器使用私钥签署挑战（以及可能其他数据）。它还会生成一个证明声明，提供有关身份验证器本身的信息。
- 浏览器将数据返回给信赖方：浏览器将公钥、签名和证明声明返回给信赖方。
- 信赖方验证数据：信赖方使用公钥验证签名，并验证证明声明以确保身份验证器是可信的。
- 信赖方存储公钥：信赖方存储与用户账户关联的公钥。
示例（概念性）：
假设用户 Alice 想在 example.com 上注册她的 YubiKey。服务器生成一个像“A7x92BcDeF”这样的随机字符串并将其发送到 Alice 的浏览器。浏览器然后告诉 YubiKey 生成一个密钥对并签署该字符串。YubiKey 完成此操作后，返回公钥、签名的字符串以及一些关于其自身的信息。服务器随后验证签名是否有效，以及 YubiKey 是否为真品设备，然后存储与 Alice 账户关联的公钥。
2. 身份验证（凭证断言）
这是使用已注册的身份验证器验证用户身份的过程。
- 用户发起登录：用户在网站或应用程序上发起登录过程。
- 信赖方生成挑战：信赖方生成一个唯一的挑战并将其发送到用户的浏览器。
- 浏览器联系身份验证器：浏览器使用 WebAuthn API 联系与用户账户关联的身份验证器。
- 身份验证器签署挑战：身份验证器提示用户进行验证（例如，指纹、PIN），然后使用私钥签署挑战。
- 浏览器将数据返回给信赖方：浏览器将签名返回给信赖方。
- 信赖方验证签名：信赖方使用存储的公钥验证签名。如果签名有效，用户即通过身份验证。
示例（概念性）：
Alice 回到 example.com 登录。服务器生成另一个随机字符串，如“G1h34IjKlM”，并将其发送到 Alice 的浏览器。浏览器提示 Alice 触摸她的 YubiKey。YubiKey 在验证 Alice 在场后，签署新的字符串。签名被发送回服务器，服务器使用其在注册期间存储的公钥进行验证。如果签名匹配，Alice 就成功登录了。
代码示例（简化的 JavaScript - 需要服务器端）
这是一个简化的示例，需要服务器端逻辑来生成挑战、验证签名和管理用户账户。它旨在说明所涉及的基本步骤。
// 注册（简化版）
async function register() {
try {
const options = await fetch('/registration/options').then(res => res.json()); // 从服务器获取选项
const credential = await navigator.credentials.create(options);
const response = await fetch('/registration/complete', {
method: 'POST',
headers: {
'Content-Type': 'application/json'
},
body: JSON.stringify({
credential: {
id: credential.id,
rawId: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.rawId))),
type: credential.type,
response: {
attestationObject: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.attestationObject))),
clientDataJSON: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.clientDataJSON))),
}
}
})
});
const result = await response.json();
if (result.success) {
alert('注册成功！');
} else {
alert('注册失败: ' + result.error);
}
} catch (error) {
console.error('注册过程中出错:', error);
alert('注册失败: ' + error.message);
}
}
// 身份验证（简化版）
async function authenticate() {
try {
const options = await fetch('/authentication/options').then(res => res.json()); // 从服务器获取选项
const credential = await navigator.credentials.get(options);
const response = await fetch('/authentication/complete', {
method: 'POST',
headers: {
'Content-Type': 'application/json'
},
body: JSON.stringify({
credential: {
id: credential.id,
rawId: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.rawId))),
type: credential.type,
response: {
authenticatorData: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.authenticatorData))),
clientDataJSON: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.clientDataJSON))),
signature: btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.signature))),
userHandle: credential.response.userHandle ? btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(credential.response.userHandle))) : null
}
}
})
});
const result = await response.json();
if (result.success) {
alert('身份验证成功！');
} else {
alert('身份验证失败: ' + result.error);
}
} catch (error) {
console.error('身份验证过程中出错:', error);
alert('身份验证失败: ' + error.message);
}
}
重要说明：
- 服务器端逻辑：JavaScript 代码严重依赖服务器端组件来生成挑战、验证签名和管理用户账户。您需要使用像 Node.js、Python、Java 或 PHP 这样的服务器端语言来实现这些组件。
- 错误处理：代码中包含了基本的错误处理，但在生产环境中应实现更健壮的错误处理。
- 安全考虑：始终在服务器端安全地处理加密操作和敏感数据。遵循安全最佳实践，以防范重放攻击和跨站脚本 (XSS) 攻击等漏洞。
- Base64 编码：`btoa()` 函数用于将二进制数据编码为 Base64 字符串，以便传输到服务器。
选择正确的身份验证器
WebAuthn 支持各种类型的身份验证器，每种都有其优缺点。在为您的应用程序选择身份验证器时，请考虑以下因素：
- 安全级别：某些身份验证器提供的安全级别高于其他身份验证器。例如，硬件安全密钥通常被认为比基于软件的身份验证器更安全。
- 用户体验：用户体验可能因身份验证器而有很大差异。生物识别身份验证器提供了无缝便捷的体验，而安全密钥可能需要用户携带额外的设备。
- 成本：身份验证器的成本也可能不同。硬件安全密钥可能相对昂贵，而基于软件的身份验证器通常是免费的。
- 平台兼容性：确保您选择的身份验证器与目标受众使用的平台和设备兼容。
以下是一些常见的身份验证器类型：
- 硬件安全密钥：这些是物理设备，例如 YubiKeys 和 Titan Security Keys，通过 USB 或 NFC 连接到计算机或移动设备。它们提供高水平的安全性，并且能抵抗网络钓鱼攻击。它们是高安全性应用和企业环境的热门选择。
- 平台身份验证器：这些是集成到操作系统和设备中的内置身份验证器。例如 Windows Hello（指纹、面部识别）和 macOS 上的 Touch ID。它们提供了方便且安全的身份验证体验。
- 移动身份验证器：一些移动应用程序可以充当 WebAuthn 身份验证器。这些通常利用生物识别验证（指纹或面部识别），对于主要在移动设备上访问您服务的用户来说非常方便。
WebAuthn 实施的最佳实践
为确保 WebAuthn 的实施既安全又用户友好，请遵循以下最佳实践：
- 使用信誉良好的库：考虑使用维护良好且信誉良好的 WebAuthn 库或 SDK 来简化实施过程并避免常见陷阱。有适用于各种服务器端语言的库，例如 Node.js、Python 和 Java。
- 实施健壮的错误处理：优雅地处理错误并向用户提供信息丰富的错误消息。记录错误以供调试。
- 防范重放攻击：使用唯一的、加密安全的挑战来防止重放攻击。
- 验证证明声明：验证证明声明以确保身份验证器的真实性和可信度。
- 安全存储公钥：在服务器上安全存储公钥，并保护它们免受未经授权的访问。
- 教育用户：向用户提供清晰简洁的说明，指导他们如何注册和使用 WebAuthn 身份验证器。
- 提供备用选项：提供备用身份验证方法（例如，恢复代码、安全问题），以防用户失去对其主要身份验证器的访问权限。这对于保持可访问性和防止账户锁定至关重要。可以考虑提供通过短信或电子邮件发送的一次性密码作为备用选项，但要注意这些方法与 WebAuthn 相比存在安全局限性。
- 定期审查和更新：随时了解最新的 WebAuthn 规范和安全最佳实践。定期审查和更新您的实施，以解决任何漏洞或提高安全性。
- 考虑可访问性：确保您的 WebAuthn 实施对残障用户是可访问的。提供替代输入方法，并确保身份验证过程与辅助技术兼容。
全球背景下的 WebAuthn
为全球受众实施 WebAuthn 时，请考虑以下因素：
- 语言支持：确保您的网站或应用程序支持多种语言，并且 WebAuthn 身份验证过程已针对不同地区进行了本地化。
- 文化考虑：注意在身份验证偏好和安全观念方面的文化差异。某些文化可能对某些类型的身份验证器比其他类型更适应。
- 地区法规：了解任何与身份验证和数据安全相关的地区法规或合规要求。
- 身份验证器可用性：考虑不同类型的身份验证器在不同地区的可用性。某些身份验证器在某些国家可能不易获得或不受支持。例如，虽然安全密钥在北美和欧洲广泛可用，但在一些发展中国家其可用性可能有限。
- 支付方式：如果您销售硬件安全密钥，请确保您提供的支付方式在不同地区被广泛接受。
无密码身份验证的未来
WebAuthn 作为一种安全且用户友好的密码替代方案，正在迅速获得普及。随着越来越多的浏览器和平台支持 WebAuthn，无密码身份验证有望成为在线安全的新标准。拥抱 WebAuthn 的组织可以增强其安全态势，改善用户体验并降低支持成本。
FIDO 联盟继续开发和推广 WebAuthn 及其他 FIDO 标准，推动创新并改善互操作性。未来的发展可能包括：
- 改善的用户体验：进一步简化身份验证过程，使其对用户更加无缝。
- 增强的安全性：开发新的安全措施以防范新兴威胁。
- 更广泛的采用：将 WebAuthn 支持扩展到更多设备和平台，包括物联网设备和移动应用程序。
- 与去中心化身份集成：探索将 WebAuthn 与去中心化身份解决方案集成，让用户对自己的个人数据和在线身份拥有更多控制权。
结论
Web Authentication API (WebAuthn) 为无密码登录的实施提供了一个强大而安全的解决方案。通过利用公钥密码学和现代身份验证方法，WebAuthn 消除了密码，降低了与密码相关的攻击风险，并改善了用户体验。实施 WebAuthn 可以是增强您的网站或应用程序安全性，并为您的用户提供更便捷、更安全的身份验证体验的重要一步。随着威胁形势的不断演变，采用 WebAuthn 实现无密码身份验证是对未来在线安全的一项关键投资。