深入理解 OAuth 2.0：开放授权协议的设计思路与运行流程详解

Cactus li2024年4月12日...大约 15 分钟

概述

OAuth 是一个关于授权（authorization）的开放网络标准，在全世界得到广泛应用，目前的版本是 2.0 版。OAuth 2.0 解决了在不暴露用户密码的情况下，让第三方应用安全访问用户资源的问题。

本文对 OAuth 2.0 的设计思路和运行流程，做一个简明通俗的解释，主要参考材料为 RFC 6749。

应用场景

为了理解 OAuth 的适用场合，让我举一个假设的例子。

有一个"云冲印"的网站，可以将用户储存在 Google 的照片，冲印出来。用户为了使用该服务，必须让"云冲印"读取自己储存在 Google 上的照片。

问题是只有得到用户的授权，Google 才会同意"云冲印"读取这些照片。那么，"云冲印"怎样获得用户的授权呢？

🚫 传统方法的问题

传统方法是，用户将自己的 Google 用户名和密码，告诉"云冲印"，后者就可以读取用户的照片了。这样的做法有以下几个严重的缺点：

安全风险：
"云冲印"为了后续的服务，会保存用户的密码，这样很不安全
Google 不得不部署密码登录，而我们知道，单纯的密码登录并不安全
权限问题：
3. "云冲印"拥有了获取用户储存在 Google 所有资料的权力，用户没法限制"云冲印"获得授权的范围和有效期
4. 用户只有修改密码，才能收回赋予"云冲印"的权力。但是这样做，会使得其他所有获得用户授权的第三方应用程序全部失效
连锁风险：
5. 只要有一个第三方应用程序被破解，就会导致用户密码泄漏，以及所有被密码保护的数据泄漏

OAuth 就是为了解决上面这些问题而诞生的。

核心概念与名词定义

📚 重要术语

在详细讲解 OAuth 2.0 之前，需要了解几个专用名词。它们对读懂后面的讲解，尤其是几张图，至关重要。

术语	说明	示例
Third-party application	第三方应用程序，本文中又称"客户端"（client）	云冲印网站
HTTP service	HTTP 服务提供商，本文中简称"服务提供商"	Google
Resource Owner	资源所有者，本文中又称"用户"（user）	你
User Agent	用户代理	浏览器
Authorization server	认证服务器，即服务提供商专门用来处理认证的服务器	Google OAuth 服务器
Resource server	资源服务器，即服务提供商存放用户生成的资源的服务器	Google Photos 服务器

📝 **注意：**认证服务器与资源服务器，可以是同一台服务器，也可以是不同的服务器。

知道了上面这些名词，就不难理解，OAuth 的作用就是让"客户端"安全可控地获取"用户"的授权，与"服务商提供商"进行互动。

OAuth 的设计思路

💡 授权层机制

OAuth 在"客户端"与"服务提供商"之间，设置了一个授权层（authorization layer）。

"客户端"不能直接登录"服务提供商"
只能登录授权层，以此将用户与客户端区分开来
"客户端"登录授权层所用的令牌（token），与用户的密码不同
用户可以在登录的时候，指定授权层令牌的权限范围和有效期

"客户端"登录授权层以后，"服务提供商"根据令牌的权限范围和有效期，向"客户端"开放用户储存的资料。

基本运行流程

🔄 整体流程图

OAuth 2.0 的运行流程如下图，摘自 RFC 6749：

📋 流程步骤详解

步骤	操作方	动作描述
(A)	用户	打开客户端后，客户端要求用户给予授权
(B)	用户	同意给予客户端授权
(C)	客户端	使用上一步获得的授权，向认证服务器申请令牌
(D)	认证服务器	对客户端进行认证后，确认无误，同意发放令牌
(E)	客户端	使用令牌，向资源服务器申请获取资源
(F)	资源服务器	确认令牌无误，同意向客户端开放资源

🔑 **关键步骤：**上面六个步骤中，B 是关键，即用户怎样才能给于客户端授权。有了这个授权以后，客户端就可以获取令牌，进而凭令牌获取资源。

下面一一讲解客户端获取授权的四种模式。

四种授权模式

📋 授权模式概览

客户端必须得到用户的授权（authorization grant），才能获得令牌（access token）。OAuth 2.0 定义了四种授权方式：

模式	英文名称	适用场景	安全级别
🔐 授权码模式	Authorization Code	有后端的 Web 应用	最高
🌐 简化模式	Implicit	纯前端应用	中等
🔒 密码模式	Resource Owner Password	高度信任的应用	低
🖥️ 客户端模式	Client Credentials	服务器间通信	中等

授权码模式

授权码模式（authorization code）是功能最完整、流程最严密的授权模式。它的特点就是通过客户端的后台服务器，与"服务提供商"的认证服务器进行互动。

它的步骤如下：

（A）用户访问客户端，后者将前者导向认证服务器。
（B）用户选择是否给予客户端授权。
（C）假设用户给予授权，认证服务器将用户导向客户端事先指定的"重定向URI"（redirection URI），同时附上一个授权码。
（D）客户端收到授权码，附上早先的"重定向URI"，向认证服务器申请令牌。这一步是在客户端的后台的服务器上完成的，对用户不可见。
（E）认证服务器核对了授权码和重定向URI，确认无误后，向客户端发送访问令牌（access token）和更新令牌（refresh token）。

下面是上面这些步骤所需要的参数。

A步骤中，客户端申请认证的URI，包含以下参数：

response_type：表示授权类型，必选项，此处的值固定为"code"
client_id：表示客户端的ID，必选项
redirect_uri：表示重定向URI，可选项
scope：表示申请的权限范围，可选项
state：表示客户端的当前状态，可以指定任意值，认证服务器会原封不动地返回这个值。

下面是一个例子。

> GET /authorize?response_type=code&client_id=s6BhdRkqt3&state=xyz
>         &redirect_uri=https%3A%2F%2Fclient%2Eexample%2Ecom%2Fcb HTTP/1.1
> Host: server.example.com
>

C步骤中，服务器回应客户端的URI，包含以下参数：

code：表示授权码，必选项。该码的有效期应该很短，通常设为10分钟，客户端只能使用该码一次，否则会被授权服务器拒绝。该码与客户端ID和重定向URI，是一一对应关系。
state：如果客户端的请求中包含这个参数，认证服务器的回应也必须一模一样包含这个参数。

下面是一个例子。

> HTTP/1.1 302 Found
> Location: https://client.example.com/cb?code=SplxlOBeZQQYbYS6WxSbIA
>           &state=xyz
>

D步骤中，客户端向认证服务器申请令牌的HTTP请求，包含以下参数：

grant_type：表示使用的授权模式，必选项，此处的值固定为"authorization_code"。
code：表示上一步获得的授权码，必选项。
redirect_uri：表示重定向URI，必选项，且必须与A步骤中的该参数值保持一致。
client_id：表示客户端ID，必选项。

下面是一个例子。

> POST /token HTTP/1.1
> Host: server.example.com
> Authorization: Basic czZCaGRSa3F0MzpnWDFmQmF0M2JW
> Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
>
> grant_type=authorization_code&code=SplxlOBeZQQYbYS6WxSbIA
> &redirect_uri=https%3A%2F%2Fclient%2Eexample%2Ecom%2Fcb
>

E步骤中，认证服务器发送的HTTP回复，包含以下参数：

access_token：表示访问令牌，必选项。
token_type：表示令牌类型，该值大小写不敏感，必选项，可以是bearer类型或mac类型。
expires_in：表示过期时间，单位为秒。如果省略该参数，必须其他方式设置过期时间。
refresh_token：表示更新令牌，用来获取下一次的访问令牌，可选项。
scope：表示权限范围，如果与客户端申请的范围一致，此项可省略。

下面是一个例子。

>      HTTP/1.1 200 OK
>      Content-Type: application/json;charset=UTF-8
>      Cache-Control: no-store
>      Pragma: no-cache
>
>      {
>        "access_token":"2YotnFZFEjr1zCsicMWpAA",
>        "token_type":"example",
>        "expires_in":3600,
>        "refresh_token":"tGzv3JOkF0XG5Qx2TlKWIA",
>        "example_parameter":"example_value"
>      }
>

从上面代码可以看到，相关参数使用JSON格式发送（Content-Type: application/json）。此外，HTTP头信息中明确指定不得缓存。

七、简化模式

简化模式（implicit grant type）不通过第三方应用程序的服务器，直接在浏览器中向认证服务器申请令牌，跳过了"授权码"这个步骤，因此得名。所有步骤在浏览器中完成，令牌对访问者是可见的，且客户端不需要认证。

它的步骤如下：

（A）客户端将用户导向认证服务器。
（B）用户决定是否给于客户端授权。
（C）假设用户给予授权，认证服务器将用户导向客户端指定的"重定向URI"，并在URI的Hash部分包含了访问令牌。
（D）浏览器向资源服务器发出请求，其中不包括上一步收到的Hash值。
（E）资源服务器返回一个网页，其中包含的代码可以获取Hash值中的令牌。
（F）浏览器执行上一步获得的脚本，提取出令牌。
（G）浏览器将令牌发给客户端。

下面是上面这些步骤所需要的参数。

A步骤中，客户端发出的HTTP请求，包含以下参数：

response_type：表示授权类型，此处的值固定为"token"，必选项。
client_id：表示客户端的ID，必选项。
redirect_uri：表示重定向的URI，可选项。
scope：表示权限范围，可选项。
state：表示客户端的当前状态，可以指定任意值，认证服务器会原封不动地返回这个值。

下面是一个例子。

>     GET /authorize?response_type=token&client_id=s6BhdRkqt3&state=xyz
>         &redirect_uri=https%3A%2F%2Fclient%2Eexample%2Ecom%2Fcb HTTP/1.1
>     Host: server.example.com
>

C步骤中，认证服务器回应客户端的URI，包含以下参数：

access_token：表示访问令牌，必选项。
token_type：表示令牌类型，该值大小写不敏感，必选项。
expires_in：表示过期时间，单位为秒。如果省略该参数，必须其他方式设置过期时间。
scope：表示权限范围，如果与客户端申请的范围一致，此项可省略。
state：如果客户端的请求中包含这个参数，认证服务器的回应也必须一模一样包含这个参数。

下面是一个例子。

>      HTTP/1.1 302 Found
>      Location: http://example.com/cb#access_token=2YotnFZFEjr1zCsicMWpAA
>                &state=xyz&token_type=example&expires_in=3600
>

在上面的例子中，认证服务器用HTTP头信息的Location栏，指定浏览器重定向的网址。注意，在这个网址的Hash部分包含了令牌。

根据上面的D步骤，下一步浏览器会访问Location指定的网址，但是Hash部分不会发送。接下来的E步骤，服务提供商的资源服务器发送过来的代码，会提取出Hash中的令牌。

八、密码模式

密码模式（Resource Owner Password Credentials Grant）中，用户向客户端提供自己的用户名和密码。客户端使用这些信息，向"服务商提供商"索要授权。

在这种模式中，用户必须把自己的密码给客户端，但是客户端不得储存密码。这通常用在用户对客户端高度信任的情况下，比如客户端是操作系统的一部分，或者由一个著名公司出品。而认证服务器只有在其他授权模式无法执行的情况下，才能考虑使用这种模式。

它的步骤如下：

（A）用户向客户端提供用户名和密码。
（B）客户端将用户名和密码发给认证服务器，向后者请求令牌。
（C）认证服务器确认无误后，向客户端提供访问令牌。

B步骤中，客户端发出的HTTP请求，包含以下参数：

grant_type：表示授权类型，此处的值固定为"password"，必选项。
username：表示用户名，必选项。
password：表示用户的密码，必选项。
scope：表示权限范围，可选项。

下面是一个例子。

>      POST /token HTTP/1.1
>      Host: server.example.com
>      Authorization: Basic czZCaGRSa3F0MzpnWDFmQmF0M2JW
>      Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
>
>      grant_type=password&username=johndoe&password=A3ddj3w
>

C步骤中，认证服务器向客户端发送访问令牌，下面是一个例子。

>      HTTP/1.1 200 OK
>      Content-Type: application/json;charset=UTF-8
>      Cache-Control: no-store
>      Pragma: no-cache
>
>      {
>        "access_token":"2YotnFZFEjr1zCsicMWpAA",
>        "token_type":"example",
>        "expires_in":3600,
>        "refresh_token":"tGzv3JOkF0XG5Qx2TlKWIA",
>        "example_parameter":"example_value"
>      }
>

上面代码中，各个参数的含义参见《授权码模式》一节。

整个过程中，客户端不得保存用户的密码。

九、客户端模式

客户端模式（Client Credentials Grant）指客户端以自己的名义，而不是以用户的名义，向"服务提供商"进行认证。严格地说，客户端模式并不属于OAuth框架所要解决的问题。在这种模式中，用户直接向客户端注册，客户端以自己的名义要求"服务提供商"提供服务，其实不存在授权问题。

它的步骤如下：

（A）客户端向认证服务器进行身份认证，并要求一个访问令牌。
（B）认证服务器确认无误后，向客户端提供访问令牌。

A步骤中，客户端发出的HTTP请求，包含以下参数：

granttype：表示授权类型，此处的值固定为"clientcredentials"，必选项。
scope：表示权限范围，可选项。

>      POST /token HTTP/1.1
>      Host: server.example.com
>      Authorization: Basic czZCaGRSa3F0MzpnWDFmQmF0M2JW
>      Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
>
>      grant_type=client_credentials
>

认证服务器必须以某种方式，验证客户端身份。

B步骤中，认证服务器向客户端发送访问令牌，下面是一个例子。

>      HTTP/1.1 200 OK
>      Content-Type: application/json;charset=UTF-8
>      Cache-Control: no-store
>      Pragma: no-cache
>
>      {
>        "access_token":"2YotnFZFEjr1zCsicMWpAA",
>        "token_type":"example",
>        "expires_in":3600,
>        "example_parameter":"example_value"
>      }
>

上面代码中，各个参数的含义参见《授权码模式》一节。

令牌刷新机制

🔄 自动更新令牌

如果用户访问的时候，客户端的"访问令牌"已经过期，则需要使用"更新令牌"申请一个新的访问令牌。

请求参数：

grant_type：表示使用的授权模式，此处的值固定为 "refresh_token"，必选项
refresh_token：表示早前收到的更新令牌，必选项
scope：表示申请的授权范围，不可以超出上一次申请的范围，如果省略该参数，则表示与上一次一致

请求示例：

POST /token HTTP/1.1
Host: server.example.com
Authorization: Basic czZCaGRSa3F0MzpnWDFmQmF0M2JW
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded

grant_type=refresh_token&refresh_token=tGzv3JOkF0XG5Qx2TlKWIA

总结

📋 OAuth 2.0 核心优势

OAuth 2.0 通过引入授权层，成功解决了传统密码共享方式的安全问题：

传统方式的问题	OAuth 2.0 的解决方案
🚫 需要共享密码	✅ 使用临时令牌，无需密码
🚫 权限过大且无法限制	✅ 可指定权限范围和有效期
🚫 难以撤销授权	✅ 可单独撤销令牌而不影响其他应用
🚫 安全风险高	✅ 令牌泄露影响范围有限

🔐 四种授权模式对比

授权模式	安全级别	适用场景	优点	缺点
授权码模式	⭐⭐⭐⭐⭐	有后端的 Web 应用	最安全，功能完整	流程复杂
简化模式	⭐⭐⭐	纯前端应用	流程简单	安全性较低
密码模式	⭐⭐	高度信任的应用	用户体验好	需要用户密码
客户端模式	⭐⭐⭐	服务器间通信	无需用户参与	应用级别授权

💡 最佳实践建议

优先选择授权码模式：对于有后端的 Web 应用，这是最安全的选择
谨慎使用密码模式：仅在高度信任且其他模式不可用时使用
合理设置令牌有效期：访问令牌设置较短有效期，刷新令牌设置较长有效期
使用 HTTPS：所有 OAuth 2.0 通信都应该通过 HTTPS 进行
验证 state 参数：防止 CSRF 攻击
妥善保管客户端密钥：特别是在客户端模式中

🌟 OAuth 2.0 的应用价值

OAuth 2.0 作为目前最主流的授权框架，为现代互联网应用提供了安全、灵活的授权解决方案。它不仅保护了用户的隐私和安全，也为第三方应用的生态发展提供了坚实的基础。无论是社交登录、API 访问还是微服务架构，OAuth 2.0 都发挥着不可替代的作用。

理解和正确实施 OAuth 2.0，对于构建安全可靠的现代应用系统具有重要意义。