Python 非同步資料函式庫操作與 Keycloak 身份驗證整合

在現今的 Web 開發中，高效能的資料函式庫操作和安全可靠的身份驗證機制至關重要。本文將深入探討如何結合 Python、FastAPI 和 MongoDB，實作非同步資料函式庫操作，並整合 Keycloak 身份驗證平臺，確保資料安全。我們將逐步講解如何設定資料函式庫連線、建立模型層、執行 CRUD 事務，並詳細說明 Keycloak 的安裝組態、使用者角色管理以及與 FastAPI 的整合流程，最後將探討 FastAPI 中 coroutine 和事件驅動交易的應用，以提升系統效能和反應速度。

設定資料函式庫連線

設定資料函式庫連線需要提供資料函式庫的連線字串。連線字串包括資料函式庫的主機、埠、資料函式庫名稱、使用者名稱和密碼等資訊。以下是設定資料函式庫連線的例子：

from pymongo import MongoClient

# 設定資料函式庫連線字串
client = MongoClient("mongodb://localhost:27017/")

# 選擇資料函式庫
db = client["mydatabase"]

建立模型層

模型層是用於定義資料的結構和行為的。它提供了資料的抽象表示，讓開發者可以更容易地存取和操作資料。以下是建立模型層的步驟：

定義模型類別

模型類別是用於定義資料的結構和行為的。它通常繼承自基礎類別別，例如 pymongo.collection.Collection。以下是定義模型類別的例子：

from pymongo import collection

class User(collection.Collection):
    def __init__(self, db):
        super().__init__(db, "users")

    def find_all(self):
        return self.find()

執行 CRUD 事務

CRUD 事務是用於封裝一系列的資料操作的。它提供了統一的介面，讓開發者可以更容易地執行一系列的資料操作。以下是執行 CRUD 事務的步驟：

定義 CRUD 事務類別

CRUD 事務類別是用於封裝一系列的資料操作的。它通常繼承自基礎類別別，例如 object。以下是定義 CRUD 事務類別的例子：

class CRUDTransaction:
    def __init__(self, db):
        self.db = db

    def execute(self):
        # 執行一系列的資料操作
        pass

圖表翻譯：

  flowchart TD
    A[設定資料函式庫環境] --> B[建立模型層]
    B --> C[實作儲存函式庫層]
    C --> D[執行事務]
    D --> E[建立非同步 CRUD 事務]
    E --> F[設定資料函式庫連線]
    F --> G[建立模型層]
    G --> H[執行 CRUD 事務]

NoSQL 資料函式庫的 CRUD 操作實作

在 NoSQL 資料函式庫中，CRUD（Create、Read、Update、Delete）操作是基本的資料管理功能。以下將介紹如何使用 MongoEngine 和 Beanie 實作 CRUD 操作。

使用 MongoEngine

MongoEngine 是一個根據 MongoDB 的 ORM（Object-Relational Mapping）工具，允許您使用 Python 類別定義資料模型並進行 CRUD 操作。

建立資料函式庫連線

首先，需要建立資料函式庫連線：

from mongoengine import connect

connect('mydatabase', host='mongodb://localhost:27017/')

建立模型層

接下來，需要建立模型層：

from mongoengine import Document, StringField, IntField

class User(Document):
    name = StringField(required=True)
    age = IntField(required=True)

實作 CRUD 操作

現在，可以實作 CRUD 操作：

# 建立
user = User(name='John', age=30)
user.save()

# 讀取
user = User.objects.get(name='John')

# 更新
user.age = 31
user.save()

# 刪除
user.delete()

執行 CRUD 操作

最後，可以執行 CRUD 操作：

# 建立
user = User(name='Jane', age=25)
user.save()

# 讀取
users = User.objects.all()

# 更新
user = User.objects.get(name='Jane')
user.age = 26
user.save()

# 刪除
user.delete()

使用 Beanie

Beanie 是一個根據 MongoDB 的 async ORM 工具，允許您使用 Python 類別定義資料模型並進行 CRUD 操作。

建立資料函式庫連線

首先，需要建立資料函式庫連線：

from beanie import init_beanie

await init_beanie(database='mydatabase', connection_string='mongodb://localhost:27017/')

定義模型類別

接下來，需要定義模型類別：

from beanie import Document
from pydantic import BaseModel

class User(BaseModel):
    name: str
    age: int

class UserDocument(Document):
    name: str
    age: int

實作 CRUD 操作

現在，可以實作 CRUD 操作：

# 建立
user = User(name='John', age=30)
await UserDocument.from_pydantic(user).save()

# 讀取
user = await UserDocument.find_one({'name': 'John'})

# 更新
user.age = 31
await user.save()

# 刪除
await user.delete()

執行 CRUD 操作

最後，可以執行 CRUD 操作：

# 建立
user = User(name='Jane', age=25)
await UserDocument.from_pydantic(user).save()

# 讀取
users = await UserDocument.find_all()

# 更新
user = await UserDocument.find_one({'name': 'Jane'})
user.age = 26
await user.save()

# 刪除
await user.delete()

建立高效能的非同步儲存函式庫

為了建立一個高效能的非同步儲存函式庫，尤其是在使用 FastAPI 和 ODMantic 的情況下，需要進行一些特定的設定和設計。首先，瞭解 ODMantic 是一個根據 MongoDB 的物件導向對映（ODM）工具，可以幫助我們在 FastAPI 中更方便地與 MongoDB 進行互動。

建立資料函式庫連線

在開始建立儲存函式庫之前，需要先建立一個資料函式庫連線。這通常涉及到設定 MongoDB 的連線字串、資料函式庫名稱等。使用 ODMantic，可以透過以下方式建立連線：

from odmantic import AIOEngine

# 定義 MongoDB 連線字串
MONGO_URI = "mongodb://localhost:27017/"

# 建立 AIOEngine 例項
engine = AIOEngine()

建立模型層

模型層是定義資料結構的地方。在 ODMantic 中，可以使用 Python 類別來定義模型。例如：

from odmantic import Model

class User(Model):
    id: str
    name: str
    email: str

實作 CRUD 操作

CRUD（Create、Read、Update、Delete）是基本的資料操作。為了實作這些操作，可以建立一個儲存函式庫類別，該類別包含了基本的 CRUD 方法。例如：

from typing import List

class UserRepository:
    async def create(self, user: User):
        # 實作建立邏輯
        pass

    async def read(self, user_id: str):
        # 實作讀取邏輯
        pass

    async def update(self, user: User):
        # 實作更新邏輯
        pass

    async def delete(self, user_id: str):
        # 實作刪除邏輯
        pass

執行 CRUD 事務

在實作了 CRUD 操作後，需要執行這些事務。這可以透過建立一個服務層來實作，服務層呼叫儲存函式庫層的方法來執行具體的資料操作。

class UserService:
    def __init__(self, user_repository: UserRepository):
        self.user_repository = user_repository

    async def create_user(self, user: User):
        await self.user_repository.create(user)

    async def get_user(self, user_id: str):
        return await self.user_repository.read(user_id)

使用 MongoFrames

如果您偏好使用 MongoFrames，可以按照以下步驟進行：

建立資料函式庫連線：與前面的步驟類似。
建構模型層：定義您的資料模型。
建立儲存函式庫層：實作 CRUD 操作。
應用儲存函式庫層：透過服務層或控制器層呼叫儲存函式庫方法。

圖表翻譯：

  flowchart TD
    A[開始] --> B[建立資料函式庫連線]
    B --> C[定義模型層]
    C --> D[實作儲存函式庫層]
    D --> E[實作服務層]
    E --> F[執行 CRUD 事務]
    F --> G[完成]

此圖表示了建立高效能非同步儲存函式庫的基本流程，從建立資料函式庫連線開始，到實作儲存函式庫層和服務層，最終執行 CRUD 事務。

實作基本和摘要式驗證

在網路應用中，驗證是確保使用者身份的重要步驟。以下將介紹如何實作基本和摘要式驗證。

基本驗證

基本驗證是一種簡單的驗證方式，使用者名稱和密碼會被傳送到伺服器進行驗證。以下是基本驗證的實作步驟：

安裝必要的模組：需要安裝 python-multipart 模組來處理表單資料。
定義驗證函式：定義一個函式來處理驗證邏輯，例如使用 OAuth2PasswordBearer 和 OAuth2PasswordRequestForm 來驗證使用者名稱和密碼。
執行登入交易：使用者提交登入表單後，執行登入交易並驗證使用者名稱和密碼。
保護端點：使用 JWT 來保護端點，確保只有驗證透過的使用者才能存取。

摘要式驗證

摘要式驗證是一種更安全的驗證方式，使用者名稱和密碼會被加密後傳送到伺服器進行驗證。以下是摘要式驗證的實作步驟：

生成秘密金鑰：生成一個秘密金鑰用於加密和解密使用者名稱和密碼。
建立存取令牌：建立一個存取令牌，用於驗證使用者身份。
建立登入交易：建立一個登入交易，用於處理使用者登入邏輯。
保護端點：使用 JWT 來保護端點，確保只有驗證透過的使用者才能存取。

以下是實作基本和摘要式驗證的範例程式碼：

from fastapi import FastAPI, Depends, HTTPException
from fastapi.security import OAuth2PasswordBearer, OAuth2PasswordRequestForm
from pydantic import BaseModel
from jose import jwt
from datetime import datetime, timedelta

app = FastAPI()

# 定義驗證函式
def authenticate_user(username: str, password: str):
    # 進行驗證邏輯
    if username == "admin" and password == "password":
        return True
    return False

# 定義存取令牌模型
class Token(BaseModel):
    access_token: str
    token_type: str

# 定義登入交易
@app.post("/login")
async def login(form_data: OAuth2PasswordRequestForm = Depends()):
    # 執行登入交易
    if authenticate_user(form_data.username, form_data.password):
        # 生成存取令牌
        access_token = jwt.encode({
            "sub": form_data.username,
            "exp": datetime.utcnow() + timedelta(minutes=30)
        }, "secret_key", algorithm="HS256")
        return {"access_token": access_token, "token_type": "bearer"}
    raise HTTPException(status_code=401, detail="Invalid username or password")

# 保護端點
@app.get("/protected")
async def protected(token: str = Depends(OAuth2PasswordBearer())):
    # 驗證存取令牌
    try:
        payload = jwt.decode(token, "secret_key", algorithms=["HS256"])
    except jwt.ExpiredSignatureError:
        raise HTTPException(status_code=401, detail="Token has expired")
    except jwt.InvalidTokenError:
        raise HTTPException(status_code=401, detail="Invalid token")
    return {"message": "Hello, " + payload["sub"]}

這個範例程式碼實作了基本和摘要式驗證，使用 OAuth2PasswordBearer 和 OAuth2PasswordRequestForm 來驗證使用者名稱和密碼，使用 JWT 來保護端點。

安全存取端點與OAuth2授權

在現代網路應用中，安全存取端點和授權機制是非常重要的。OAuth2是一種廣泛使用的授權框架，提供了一種安全的方式來存取保護的資源。在本節中，我們將探討如何使用OAuth2來保護存取端點和實作授權機制。

建立範圍基礎授權

範圍基礎授權是一種機制，允許使用者授權存取特定的資源或操作。要建立範圍基礎授權，我們需要定義授權範圍和對應的許可權。例如，我們可以定義一個範圍為「read_user_info」，授權使用者讀取使用者資訊。

# 定義授權範圍和對應的許可權
scopes = {
    "read_user_info": ["read_user_info"],
    "write_user_info": ["write_user_info"]
}

自訂OAuth2類別

OAuth2類別是OAuth2授權框架的核心。要自訂OAuth2類別，我們需要繼承基礎OAuth2類別並實作自訂的授權機制。例如，我們可以實作一個自訂的OAuth2類別來支援範圍基礎授權。

# 自訂OAuth2類別
class CustomOAuth2:
    def __init__(self, client_id, client_secret):
        self.client_id = client_id
        self.client_secret = client_secret

    def get_access_token(self, scope):
        # 實作自訂的授權機制
        access_token = self.generate_access_token(scope)
        return access_token

    def generate_access_token(self, scope):
        # 實作自訂的存取令牌生成機制
        access_token = "custom_access_token"
        return access_token

建立授權碼流程

授權碼流程是OAuth2授權框架的一部分。要建立授權碼流程，我們需要實作授權碼請求和授權碼回應。

# 建立授權碼流程
def authorization_code_flow():
    # 實作授權碼請求
    authorization_code_request = {
        "client_id": "client_id",
        "response_type": "code",
        "redirect_uri": "redirect_uri",
        "scope": "read_user_info"
    }

    # 實作授權碼回應
    authorization_code_response = {
        "code": "authorization_code",
        "redirect_uri": "redirect_uri"
    }

    return authorization_code_request, authorization_code_response

應用OAuth2授權

OAuth2授權是一種安全的方式來存取保護的資源。要應用OAuth2授權，我們需要實作OAuth2授權請求和OAuth2授權回應。

# 應用OAuth2授權
def apply_oauth2_authorization():
    # 實作OAuth2授權請求
    oauth2_authorization_request = {
        "client_id": "client_id",
        "client_secret": "client_secret",
        "grant_type": "authorization_code",
        "code": "authorization_code",
        "redirect_uri": "redirect_uri"
    }

    # 實作OAuth2授權回應
    oauth2_authorization_response = {
        "access_token": "access_token",
        "token_type": "bearer",
        "expires_in": 3600
    }

    return oauth2_authorization_request, oauth2_authorization_response

使用 Keycloak 進行身份驗證

在現代 Web 應用中，安全性和身份驗證是非常重要的。Keycloak 是一個開源的身份驗證和授權平臺，提供了一個簡單且安全的方式來管理使用者身份和許可權。在本章中，我們將探討如何使用 Keycloak 進行身份驗證，並將其與 FastAPI 進行整合。

安裝和組態 Keycloak 環境

要開始使用 Keycloak，首先需要安裝和組態 Keycloak 環境。這可以透過下載 Keycloak 的安裝包並按照官方檔案進行安裝。安裝完成後，需要組態 Keycloak 的 realm 和 client。

組態 Keycloak Realm 和 Client

Keycloak 的 realm 是一個用於管理使用者和 client 的實體。要組態 Keycloak 的 realm，需要建立一個新的 realm 和 client。以下是建立 realm 和 client 的步驟：

登入 Keycloak 管理控制檯
點選 “Realm” 選單並選擇 “Add Realm”
輸入 realm 名稱和其他相關資訊
點選 “Save” 按鈕
點選 “Client” 選單並選擇 “Create Client”
輸入 client 名稱和其他相關資訊
點選 “Save” 按鈕

建立使用者和使用者角色

要建立使用者和使用者角色，需要登入 Keycloak 管理控制檯並點選 “Users” 選單。以下是建立使用者和使用者角色的步驟：

登入 Keycloak 管理控制檯
點選 “Users” 選單
點選 “Add User” 按鈕
輸入使用者名稱和其他相關資訊
點選 “Save” 按鈕
點選 “Roles” 選單
點選 “Add Role” 按鈕
輸入角色名稱和其他相關資訊
點選 “Save” 按鈕

指派角色給 Client

要指派角色給 client，需要登入 Keycloak 管理控制檯並點選 “Clients” 選單。以下是指派角色給 client 的步驟：

登入 Keycloak 管理控制檯
點選 “Clients” 選單
選擇要指派角色的 client
點選 “Roles” 選單
選擇要指派的角色
點選 “Add” 按鈕

建立使用者許可權透過範圍

要建立使用者許可權透過範圍，需要登入 Keycloak 管理控制檯並點選 “Clients” 選單。以下是建立使用者許可權透過範圍的步驟：

登入 Keycloak 管理控制檯
點選 “Clients” 選單
選擇要建立許可權的 client
點選 “Scopes” 選單
點選 “Add Scope” 按鈕
輸入範圍名稱和其他相關資訊
點選 “Save” 按鈕

整合 Keycloak 與 FastAPI

要整合 Keycloak 與 FastAPI，需要使用 HTTPBearer 令牌驗證。以下是整合 Keycloak 與 FastAPI 的步驟：

安裝 fastapi-security 套件
匯入 fastapi-security 套件
建立 Keycloak 令牌驗證器
使用令牌驗證器保護 FastAPI 路由

from fastapi import FastAPI, Depends
from fastapi.security import HTTPBearer

app = FastAPI()

# 建立 Keycloak 令牌驗證器
security = HTTPBearer()

# 使用 令牌驗證器保護 FastAPI 路由
@app.get("/protected")
def protected_route(token: str = Depends(security)):
    # 驗證令牌
    if token != "valid_token":
        return {"error": "Invalid token"}
    return {"message": "Hello, World!"}

實作令牌驗證

要實作令牌驗證，需要使用 Keycloak 的令牌端點。以下是實作令牌驗證的步驟：

傳送 GET 請求到 Keycloak 的令牌端點
驗證令牌的有效性
如果令牌有效，則傳回驗證結果

import requests

def verify_token(token: str):
    # 傳送 GET 請求到 Keycloak 的令牌端點
    response = requests.get(f"https://keycloak.example.com/auth/realms/myrealm/protocol/openid-connect/token/introspect", headers={"Authorization": f"Bearer {token}"})
    
    # 驗證令牌的有效性
    if response.status_code == 200:
        return True
    else:
        return False

透過以上步驟，可以實作 Keycloak 的身份驗證和授權功能，並將其與 FastAPI 進行整合。

強化非同步處理：FastAPI中的Coroutine和事件驅動交易

FastAPI是一個現代化的Python Web框架，旨在提供高效能和易於使用的API開發體驗。其中一個FastAPI的強大功能是其對非同步處理的支援，包括coroutine和事件驅動交易。在本章中，我們將探討如何在FastAPI中實作coroutine、事件驅動交易和訊息驅動交易。

從技術架構視角來看，本文涵蓋了設定資料函式庫連線、模型層建立、CRUD 事務執行、非同步儲存函式庫建立、驗證機制實作，以及OAuth2和Keycloak整合等關鍵導向，展現了一個完整後端系統的建構流程。分析MongoDB、MongoEngine、Beanie、ODMantic 等不同工具的應用，可以發現NoSQL資料函式庫在現代Web應用中的靈活性和高效能優勢。然而，技術選型仍需考量專案規模、團隊技術堆疊和長期維護成本等因素。NoSQL資料函式庫雖然在資料讀寫效能上表現出色，但在資料一致性和交易管理方面仍需謹慎設計。展望未來，隨著Serverless架構和微服務的普及，非同步程式設計和事件驅動架構將成為主流，FastAPI的coroutine和事件驅動交易機制將扮演更重要的角色。對於追求高效能和可擴充套件性的應用程式，建議深入研究FastAPI的非同步特性，並結合適合的資料函式庫解決方案，才能最大化系統效能。玄貓認為，掌握這些核心技術，將有助於開發者建構更具競爭力的現代化Web應用。

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。