Django 框架下的使用者身分驗證與授權實踐

在 Web 應用程式開發中，使用者身分驗證和授權是至關重要的環節。Django 框架提供了一套完善的機制來處理這些功能，從基本的登入登出到多因素驗證和密碼管理，都能夠有效地保障應用程式的安全。本文將深入探討 Django 框架中使用者身分驗證和授權的實務技巧，包含登入登出流程的客製化、多因素驗證方案的選擇、密碼安全策略的制定，以及如何利用 Django 的測試框架來確保程式碼的正確性。同時，我們也會探討密碼雜湊、加鹽等進階安全議題，並介紹 PBKDF2 等金鑰衍生函式的應用，以提升 Web 應用程式的安全性。

第8章身分驗證

8.1 登出功能

Django 的登出檢視（LogoutView）預設會顯示一個標準頁面，通知使用者已成功登出。然而，我們希望使用者在登出後能夠傳回到登入表單。為了實作這個功能，我們需要在設定檔中新增一行程式碼：

LOGOUT_REDIRECT_URL = '/accounts/login/'

這行程式碼告訴 Django，在使用者登出後，應該將他們重定向到登入頁面。

8.2 多因素身分驗證

傳統的密碼認證方式容易被攻擊，因此，多因素身分驗證（Multi-Factor Authentication, MFA）成為了一種重要的安全措施。MFA 需要使用者提供多種不同的認證方式，例如：

單次密碼（One-Time Password, OTP）
智慧卡（Smart Card）
生物識別（Biometric Authentication）

不幸的是，目前還沒有成熟的 Python 函式庫可以輕易地實作 MFA。因此，我們需要謹慎地評估和選擇合適的解決方案。

8.3 預先要求使用者登入

Django 提供了一個 LoginRequiredMixin 類別，可以用來限制只有登入的使用者才能存取某些頁面。這個類別可以自動檢查使用者是否已經登入，如果沒有，則會將使用者重定向到登入頁面。

以下是如何使用 LoginRequiredMixin 的範例：

from django.contrib.auth.mixins import LoginRequiredMixin
from django.views.generic import View

class ProfileView(LoginRequiredMixin, View):
    def get(self, request):
        # 只有登入的使用者才能存取這個頁面
        return render(request, 'profile.html')

或者，你也可以使用 @login_required 裝飾器來達到相同的效果：

from django.contrib.auth.decorators import login_required
from django.shortcuts import render

@login_required
def profile_view(request):
    return render(request, 'profile.html')

8.4 測試身分驗證

Django 的測試框架允許我們輕易地測試身分驗證的功能。以下是如何測試登入和登出的範例：

from django.test import TestCase
from django.contrib.auth import get_user_model

class TestAuthentication(TestCase):
    def test_authenticated_workflow(self):
        # 建立一個測試使用者
        user_model = get_user_model()
        user = user_model.objects.create_user('bob', password='password')

        # 使用者登入
        self.client.login(username='bob', password='password')

        # 測試使用者是否能夠存取某些頁面
        response = self.client.get('/profile/')
        self.assertEqual(response.status_code, 200)

        # 使用者登出
        self.client.logout()

        # 測試使用者是否能夠存取某些頁面
        response = self.client.get('/profile/')
        self.assertEqual(response.status_code, 302)

這個範例展示瞭如何建立一個測試使用者，登入，存取某些頁面，然後登出，並且驗證每一步的結果。

使用 Django 框架進行使用者認證和授權的測試

在本文中，我們將學習如何使用 Django 框架進行使用者認證和授權的測試。我們將建立測試使用案例來驗證使用者註冊、登入和許可權控制的功能。

測試使用者註冊

首先，我們需要建立一個測試使用案例來驗證使用者註冊的功能。我們可以使用 Django 的 TestCase 類別來建立測試使用案例。

from django.test import TestCase
from django.urls import reverse

class TestAuthentication(TestCase):
    def test_user_registration(self):
        # 建立一個測試使用者
        user_data = {
            'username': 'testuser',
            'email': 'testuser@example.com',
            'password1': 'testpassword',
            'password2': 'testpassword'
        }
        response = self.client.post(reverse('accounts:register'), user_data)
        self.assertEqual(response.status_code, 302)
        self.assertRedirects(response, reverse('accounts:login'))

在這個測試使用案例中，我們建立一個測試使用者，並使用 client.post 方法傳送一個 POST 請求到使用者註冊檢視。我們然後驗證回應狀態碼是否為 302（重定向），並且重定向 URL 是否為登入頁面。

測試使用者登入

接下來，我們需要建立一個測試使用案例來驗證使用者登入的功能。

def test_user_login(self):
    # 建立一個測試使用者
    user_data = {
        'username': 'testuser',
        'email': 'testuser@example.com',
        'password': 'testpassword'
    }
    self.client.post(reverse('accounts:register'), user_data)
    # 登入測試使用者
    response = self.client.post(reverse('accounts:login'), {'username': 'testuser', 'password': 'testpassword'})
    self.assertEqual(response.status_code, 302)
    self.assertRedirects(response, reverse('accounts:profile'))

在這個測試使用案例中，我們建立一個測試使用者，並使用 client.post 方法傳送一個 POST 請求到使用者登入檢視。我們然後驗證回應狀態碼是否為 302（重定向），並且重定向 URL 是否為使用者個人資料頁面。

測試許可權控制

最後，我們需要建立一個測試使用案例來驗證許可權控制的功能。

def test_prohibit_anonymous_access(self):
    response = self.client.get(reverse('accounts:profile'), secure=True)
    self.assertEqual(response.status_code, 302)
    self.assertIn(reverse('accounts:login'), response['Location'])

在這個測試使用案例中，我們使用 client.get 方法傳送一個 GET 請求到使用者個人資料頁面，並驗證回應狀態碼是否為 302（重定向）。我們還驗證重定向 URL 是否為登入頁面。

執行測試

我們可以使用以下命令執行測試：

$ python manage.py test

如果所有測試使用案例都透過，則表示我們的使用者認證和授權功能正常工作。

Django 中的使用者密碼管理

Django 提供了一套完整的使用者密碼管理系統，包括密碼修改、密碼重置、密碼驗證等功能。在本章中，我們將探討 Django 中的使用者密碼管理，包括密碼修改、密碼重置、密碼驗證等。

9.1 修改密碼

Django 提供了一個名為 PasswordChangeView 的檢視，用於修改使用者密碼。這個檢視會顯示一個表單，要求使用者輸入目前的密碼、新的密碼和新的密碼確認。

from django.contrib.auth.views import PasswordChangeView
from django.urls import path

urlpatterns = [
    path('password_change/', PasswordChangeView.as_view(), name='password_change'),
]

9.2 密碼驗證

Django 提供了一個名為 AUTH_PASSWORD_VALIDATORS 的設定，用於定義密碼驗證規則。這個設定是一個列表，包含多個驗證器，每個驗證器都會檢查密碼是否符合某個規則。

AUTH_PASSWORD_VALIDATORS = [
    {
        'NAME': 'django.contrib.auth.password_validation.UserAttributeSimilarityValidator',
    },
    {
        'NAME': 'django.contrib.auth.password_validation.MinimumLengthValidator',
    },
    {
        'NAME': 'django.contrib.auth.password_validation.CommonPasswordValidator',
    },
    {
        'NAME': 'django.contrib.auth.password_validation.NumericPasswordValidator',
    },
]

9.3 自訂密碼驗證規則

我們可以自訂密碼驗證規則，例如新增一個驗證器，檢查密碼是否包含至少一個大寫字母、一個小寫字母和一個數字。

from django.contrib.auth.password_validation import Validator

class CustomPasswordValidator(Validator):
    def validate(self, password, user):
        if not any(char.isupper() for char in password):
            raise ValidationError(_('密碼必須包含至少一個大寫字母'), code='password_no_uppercase')
        if not any(char.islower() for char in password):
            raise ValidationError(_('密碼必須包含至少一個小寫字母'), code='password_no_lowercase')
        if not any(char.isdigit() for char in password):
            raise ValidationError(_('密碼必須包含至少一個數字'), code='password_no_digit')

AUTH_PASSWORD_VALIDATORS = [
    {
        'NAME': 'path.to.CustomPasswordValidator',
    },
]

9.4 密碼重置

Django 提供了一個名為 PasswordResetView 的檢視，用於重置使用者密碼。這個檢視會顯示一個表單，要求使用者輸入電子郵件地址，用於傳送密碼重置郵件。

from django.contrib.auth.views import PasswordResetView
from django.urls import path

urlpatterns = [
    path('password_reset/', PasswordResetView.as_view(), name='password_reset'),
]

自訂密碼驗證

在 Django 中，我們可以使用 AUTH_PASSWORD_VALIDATORS 設定來定義密碼驗證規則。這些規則可以幫助我們確保使用者設定的密碼夠複雜和安全。

最小長度驗證

Django 提供了一個 MinimumLengthValidator 來驗證密碼的最小長度。這個驗證器可以設定最小長度，若密碼太短，就會被拒絕。

'OPTIONS': {
    'min_length': 12,
}

常見密碼驗證

另一個內建的驗證器是 CommonPasswordValidator，它會檢查密碼是否為常見的密碼。這個驗證器可以使用 password_list_path 引數來指定一個自訂的常見密碼列表。

'OPTIONS': {
    'password_list_path': '/path/to/more-common-passwords.txt.gz',
}

數字密碼驗證

NumericPasswordValidator 會拒絕純數字的密碼。

自訂密碼驗證

我們也可以建立自己的密碼驗證器。例如，以下是一個簡單的驗證器，它要求密碼至少包含四個英文單詞：

from django.utils.translation import gettext_lazy as _

class PassphraseValidator:
    def __init__(self, dictionary_file='/usr/share/dict/words'):
        self.min_words = 4
        with open(dictionary_file) as f:
            self.words = set(word.strip() for word in f)

    def get_help_text(self):
        return _('Your password must contain at least %s words.') % self.min_words

    def validate(self, password, user=None):
        tokens = password.split(' ')
        if len(tokens) < self.min_words:
            too_short = _('This password needs at least %s words.') % self.min_words
            raise ValidationError(too_short, code='too_short')
        if not all(token in self.words for token in tokens):
            not_passphrase = _('This password is not a passphrase.')
            raise ValidationError(not_passphrase, code='not_passphrase')

啟用自訂驗證器

要啟用自訂驗證器，我們需要在 settings.py 中設定 AUTH_PASSWORD_VALIDATORS：

AUTH_PASSWORD_VALIDATORS = [
    {
        'NAME': 'profile_info.validators.PassphraseValidator',
        'OPTIONS': {
            'dictionary_file': 'words.txt',
        }
    },
]

這樣就完成了自訂密碼驗證器的設定和啟用。現在，使用者設定的密碼必須至少包含四個英文單詞，否則會被拒絕。

密碼儲存與安全

在網路安全中，密碼儲存是一個非常重要的議題。當使用者註冊一個帳戶時，系統需要儲存使用者的密碼，以便於日後的登入驗證。但是，儲存密碼的方式如果不當，可能會導緻密碼洩露，從而導致使用者的帳戶被盜。

明文儲存

明文儲存是最簡單的儲存方式，即直接儲存使用者輸入的密碼。但是，這種方式非常危險，因為如果攻擊者獲得了儲存的密碼，他就可以直接使用這些密碼登入使用者的帳戶。

加密儲存

加密儲存是另一種儲存方式，即使用加密演算法將密碼加密後儲存。但是，如果攻擊者獲得了加密金鑰，他就可以解密出原始密碼。

雜湊儲存

雜湊儲存是目前最安全的儲存方式，即使用雜湊演算法將密碼轉換為雜湊值後儲存。雜湊演算法是一種單向函式，無法逆向計算出原始密碼。當使用者登入時，系統會將輸入的密碼進行雜湊，然後比較雜湊值是否與儲存的雜湊值相符。如果相符，則允許登入。

但是，即使用雜湊儲存，也可能存在一些問題。例如，如果攻擊者獲得了大量的密碼雜湊值，他可以使用彩虹表（rainbow table）來快速查找出原始密碼。彩虹表是一種預先計算好的表格，包含了大量的密碼雜湊值和對應的原始密碼。

解決方案

為瞭解決上述問題，可以使用以下方法：

使用足夠複雜的密碼：鼓勵使用者使用足夠複雜的密碼，例如包含大小寫字母、數字和特殊字元。
使用鹽值：在雜湊演算法中新增一個隨機的鹽值（salt），以增加密碼的複雜度。
使用適當的雜湊演算法：選擇一個安全的雜湊演算法，例如 bcrypt、PBKDF2 或 Argon2。
定期更新密碼：鼓勵使用者定期更新密碼，以減少攻擊者的風險。

第9章：使用者密碼

9.1 使用者密碼安全

當我們儲存使用者密碼時，為了防止攻擊者輕易地取得密碼，我們通常會使用雜湊函式（hash function）來儲存密碼的雜湊值。然而，僅僅使用雜湊函式並不足以確保密碼的安全，因為攻擊者可以使用預先計算好的彩虹表（rainbow table）來逆向推匯出原始密碼。

9.2 加鹽（Salting）

為瞭解決上述問題，我們可以使用加鹽（salting）的技術。加鹽是指在密碼中新增一串隨機的位元組，這樣即使兩個使用者有相同的密碼，由於加鹽的不同，產生的雜湊值也會不同。這使得攻擊者難以使用彩虹表來逆向推匯出原始密碼。

加鹽的優點

加鹽可以使得相同的密碼產生不同的雜湊值，從而增加攻擊者的難度。
加鹽可以防止攻擊者使用彩虹表來逆向推匯出原始密碼。

加鹽的實作

import hashlib
import secrets

def hash_password(password):
    # 產生隨機的鹽
    salt = secrets.token_bytes(16)
    
    # 將密碼和鹽進行雜湊
    hashed_password = hashlib.blake2b(password.encode(), salt=salt)
    
    return hashed_password.hexdigest(), salt.hex()

def verify_password(stored_hash, stored_salt, provided_password):
    # 將提供的密碼和儲存的鹽進行雜湊
    provided_hash = hashlib.blake2b(provided_password.encode(), salt=bytes.fromhex(stored_salt))
    
    # 對比雜湊值
    return provided_hash.hexdigest() == stored_hash

# 測試
password = "mysecretpassword"
hashed_password, salt = hash_password(password)
print(f"Hashed Password: {hashed_password}")
print(f"Salt: {salt}")

is_valid = verify_password(hashed_password, salt, password)
print(f"Is Password Valid? {is_valid}")

9.3 雜湊函式的選擇

在實際應用中，我們需要選擇適合的雜湊函式來儲存密碼。常見的雜湊函式包括 SHA-256、BLAKE2b 等。這些函式都具有高安全性和效率。

9.4 實務應用

在實務應用中，我們需要注意以下幾點：

使用加鹽技術來儲存密碼。
選擇適合的雜湊函式。
儲存鹽值和雜湊值。
驗證密碼時，需要對比雜湊值。

圖表翻譯：

下圖示範了加鹽技術的流程：

  flowchart TD
    A[密碼] --> B[產生隨機鹽]
    B --> C[將密碼和鹽進行雜湊]
    C --> D[儲存雜湊值和鹽]
    D --> E[驗證密碼]
    E --> F[對比雜湊值]

內容解密：

上述程式碼中，我們使用 hashlib 函式庫來進行雜湊操作，並使用 secrets 函式庫來產生隨機的鹽。這樣可以確保密碼的安全性。

密碼雜湊與金鑰衍生

在密碼安全中，使用適當的雜湊函式和金鑰衍生函式是非常重要的。這些函式可以幫助保護密碼和其他敏感資訊。

BLAKE2 雜湊函式

BLAKE2 是一種快速且安全的雜湊函式。然而，即使 BLAKE2 可以接受 salt 作為其中一個引數，但它仍然不適合用於密碼雜湊。原因在於 BLAKE2 的設計目標是快速執行，而快速的雜湊函式對於密碼安全來說並不是理想的選擇。

金鑰衍生函式

金鑰衍生函式（Key Derivation Functions, KDFs）是一種特殊的函式，設計用於從密碼或其他資訊中衍生出金鑰。這些函式通常需要耗費大量的計算資源，這使得它們更適合用於密碼安全。

PBKDF2

PBKDF2（Password-Based Key Derivation Function 2）是一種流行的金鑰衍生函式，常用於處理密碼。它可以接受一個密碼、salt 和一個迭代次數作為引數，並使用 HMAC（Keyed-Hashing for Message Authentication）和 SHA-256 等雜湊函式來衍生出金鑰。

下面是一個使用 PBKDF2 的 Python 範例：

import hashlib
import secrets
import sys
import timeit

iterations = int(sys.argv[1])

def test():
    message = b'password'
    salt = secrets.token_bytes(16)
    hash_value = hashlib.pbkdf2_hmac('sha256', message, salt, iterations)
    print(hash_value.hex())

if __name__ == '__main__':
    seconds = timeit.timeit('test()', number=10, globals=globals())
    print('Seconds elapsed: %s' % seconds)

這個範例使用 PBKDF2 來衍生出金鑰，並測量了這個過程所需的時間。

Argon2

Argon2 是另一種金鑰衍生函式，設計用於提供更強的密碼安全性。它可以接受多個引數，包括密碼、salt 和迭代次數，並使用更複雜的演算法來衍生出金鑰。

密碼儲存安全：PBKDF2 的應用

在現代網路安全中，儲存使用者密碼是一個非常重要的議題。為了確保使用者密碼的安全，開發人員通常會使用密碼雜湊函式（Password-Based Key Derivation Function, PBKDF）來保護密碼。其中，PBKDF2 是一個廣泛使用的密碼雜湊函式。

什麼是 PBKDF2？

PBKDF2 是一個根據密碼的金鑰衍生函式，它可以從一個密碼和一個隨機數（salt）中衍生出一個金鑰。這個過程涉及多次迭代的密碼雜湊，從而使得密碼的儲存更加安全。

PBKDF2 的工作原理

PBKDF2 的工作原理如下：

輸入: PBKDF2 需要三個輸入：密碼、隨機數（salt）和迭代次數。
雜湊: PBKDF2 使用一個密碼雜湊函式（如 SHA-1 或 SHA-256）對密碼和隨機數進行雜湊。
迭代: PBKDF2 對上一步的結果進行多次迭代，直到達到指定的迭代次數。
輸出: 最終的輸出是迭代結果的雜湊值。

從系統安全形度分析使用者身份驗證機制，本文涵蓋了登出重定向、多因素驗證、登入限制、測試方法以及密碼管理等關鍵環節。分析 Django 內建功能和自訂方案的實作細節，可以發現，雖然框架提供基本的登入登出和密碼修改功能，但對於更進階的安全需求，例如多因素驗證，仍需仰賴第三方套件或自行開發。技術限制主要體現在多因素驗證方案的成熟度和整合成本上。考量安全性與開發效率的平衡，建議優先強化密碼策略，例如強制使用強密碼、匯入加鹽雜湊（salting）和金鑰衍生函式（如 PBKDF2、Argon2）等。未來，隨著生物辨識和無密碼登入技術的發展，使用者身份驗證將更加安全便捷。玄貓認為，持續關注新興技術趨勢，並將其整合至現有系統，才能在保障使用者資訊安全的同時，提升使用者經驗。

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。

Django 框架下的使用者身分驗證與授權實踐

第8章 身分驗證

8.1 登出功能

8.2 多因素身分驗證

8.3 預先要求使用者登入

8.4 測試身分驗證

使用 Django 框架進行使用者認證和授權的測試

測試使用者註冊

測試使用者登入

測試許可權控制

執行測試

Django 中的使用者密碼管理

9.1 修改密碼

9.2 密碼驗證

9.3 自訂密碼驗證規則

9.4 密碼重置

自訂密碼驗證

最小長度驗證

常見密碼驗證

數字密碼驗證

自訂密碼驗證

啟用自訂驗證器

密碼儲存與安全

明文儲存

加密儲存

雜湊儲存

解決方案

第9章：使用者密碼

9.1 使用者密碼安全

9.2 加鹽（Salting）

加鹽的優點

加鹽的實作

9.3 雜湊函式的選擇

9.4 實務應用

圖表翻譯：

內容解密：

密碼雜湊與金鑰衍生

BLAKE2 雜湊函式

金鑰衍生函式

PBKDF2

Argon2

密碼儲存安全：PBKDF2 的應用

什麼是 PBKDF2？

PBKDF2 的工作原理

玄貓

第8章身分驗證