实现一次性令牌以防止重放攻击的可靠方法

本文介绍基于服务器生成 Nonce 来防止重放攻击的标准模式。

我们详细地分解一下后端需要做的事情：

1. 提供获取 Nonce 的接口 (Nonce Generation Endpoint)

需要一个专门的 API 端点，例如 GET /api/get-nonce。

当前端（在准备发起需要保护的请求之前）调用这个接口时：

生成 Nonce: 服务器使用密码学安全 的随机数生成器创建一个足够长、难以预测的唯一字符串。

typescript 复制代码

import crypto from 'crypto';

function generateNonce(length = 16): string {
  // 生成 16 字节的安全随机数据，转为十六进制字符串 (长度变为 32)
  return crypto.randomBytes(length).toString('hex');
}

app.get('/api/get-nonce', (req, res) => {
  // 这里可能需要验证用户身份，防止匿名用户耗尽 Nonce 资源
  if (!req.session.user) { // 假设使用了 session
     return res.status(401).send('Unauthorized');
  }

  const nonce = generateNonce();
  const ttlSeconds = 300; // Nonce 有效期，例如 5 分钟

  // 将 Nonce 存储起来，并设置有效期
  // 推荐使用 Redis 或 Memcached 等内存数据库，性能好且自带 TTL 功能
  redisClient.set(`nonce:${nonce}`, 'valid', 'EX', ttlSeconds, (err, reply) => {
     if (err) {
       console.error('Error storing nonce:', err);
       return res.status(500).send('Internal Server Error');
     }
     console.log(`Generated and stored nonce: ${nonce} for user ${req.session.user.id}`);
     // 将生成的 Nonce 返回给前端
     res.json({ nonce: nonce });
  });
});

存储 Nonce: 将生成的 Nonce 存储在服务器端的一个临时存储中（强烈推荐 Redis 或 Memcached ）。关键是要同时设置一个过期时间 (TTL - Time To Live) ，例如 5 分钟。这能防止存储无限增长，并自动清理过期的、未使用的 Nonce。存储时，至少要记录 Nonce 本身，可以简单地将 Nonce 作为 Key，Value 设为 true 或 valid。有时也会存储关联的用户 ID 或 Session ID。
返回 Nonce: 将生成的 Nonce 通过 API 响应返回给前端。

2. 处理带有 Nonce 的主业务请求 (Main Request Handling)

当前端提交业务数据（例如表单），并在请求中包含了 data, nonce, hash 时，服务器端的处理流程如下：

typescript 复制代码

app.post('/api/submit-data', async (req, res) => {
  const { data, nonce, hash: receivedHash } = req.body; // 或从请求头获取

  if (!data || !nonce || !receivedHash) {
    return res.status(400).send('Missing required parameters.');
  }

  // 1. 验证 Nonce 的有效性 (检查是否存在且未使用)
  // 尝试从 Redis 中获取并立即删除它 (原子操作)
  // 使用 DEL 命令尝试删除，如果返回 1 表示删除成功 (存在且被删了)，返回 0 表示不存在 (或已被删)
  redisClient.del(`nonce:${nonce}`, (err, reply) => {
    if (err) {
      console.error('Error validating nonce:', err);
      return res.status(500).send('Internal Server Error');
    }

    if (reply === 1) {
      // Nonce 存在且已被成功删除，表示它是有效的且是第一次使用
      console.log(`Nonce ${nonce} validated and consumed.`);

      // 2. 重新计算哈希值
      const dataToHash = JSON.stringify(data) + "|" + nonce; // 必须和前端用完全一样的方式拼接
      const calculatedHash = sha256(dataToHash); // 使用相同的哈希算法

      // 3. 比较哈希值
      if (calculatedHash === receivedHash) {
        // 哈希匹配，请求有效！处理业务逻辑
        console.log('Hash matches. Processing business logic for data:', data);
        // ... 执行你的业务操作 ...
        res.send('Data processed successfully.');
      } else {
        // 哈希不匹配，数据可能被篡改
        console.warn(`Hash mismatch for nonce ${nonce}. Expected ${calculatedHash}, got ${receivedHash}`);
        res.status(400).send('Invalid request signature.');
      }
    } else {
      // Nonce 不存在 (reply === 0)
      // 可能原因：Nonce 错误、已过期被 Redis 自动删除、或已被之前的请求使用并删除
      console.warn(`Invalid or expired/used nonce received: ${nonce}`);
      res.status(400).send('Invalid or expired token.');
    }
  });
});

验证 Nonce:
- 从请求中获取 nonce。
- 尝试从存储中查找并删除 这个 nonce。使用 Redis 的 DEL 命令是一个很好的原子操作方式：如果 DEL nonce:abc 返回 1，说明这个 key 存在并且被成功删除了；如果返回 0，说明这个 key 不存在（可能已过期或已被使用）。
- 如果删除成功 (返回 1)，说明 Nonce 有效且是首次使用。继续下一步。
- 如果删除失败 (返回 0)，说明 Nonce 无效（过期、错误或已使用）。立即拒绝请求。
重新计算哈希: 使用与前端完全相同 的方法（相同的哈希算法、相同的数据序列化方式、相同的拼接顺序）来拼接接收到的 data 和 nonce，然后计算哈希值。
比较哈希: 将服务器端计算出的哈希值与请求中带来的 receivedHash 进行比较。
- 如果一致，说明数据未被篡改，并且请求是基于有效的 Nonce 发起的。处理业务逻辑。
- 如果不一致，说明数据在中途可能被篡改（或者前后端计算逻辑不一致）。拒绝请求。

关键点:

原子性: 检查 Nonce 是否存在和将其标记为"已使用"（通过删除）应该是一个原子操作，以防止并发请求使用同一个 Nonce 的竞争条件。Redis 的 DEL 或 GETDEL (如果需要获取值再删除) 提供了这种保证。
有效期 (TTL): 给 Nonce 设置有效期非常重要，可以防止存储无限膨胀，并处理那些生成了但从未被使用的 Nonce。
安全性: Nonce 生成必须使用安全的随机数源。
存储选择: Redis 或类似内存数据库是存储 Nonce 的理想选择，因为它们速度快且易于实现 TTL。避免使用关系数据库（除非有特殊原因并做了优化），也避免存储在应用服务器的内存中（无法扩展且重启会丢失）。

这种服务器生成、验证并立即销毁 Nonce 的方式是实现一次性令牌以防止重放攻击的可靠方法。