微服務架構 #4, 如何強化微服務的安全性? API Token / JWT 的應用

以下為基於文章內容所萃取並結構化的 15 個教學型解決方案案例。每個案例均包含問題、根因、完整解法（含程式碼/流程）、效益與練習評估，適合用於實戰教學與專案演練。

Case #1: 跨服務信任建立：以 RSA 簽章的 API Token

Problem Statement（問題陳述）

業務場景：在微服務/服務導向場景中，使用者於 A 服務完成付費或驗證後，需要前往 B 服務消費或使用 API，但 A 與 B 不具備即時、安全的互通管道（跨網域、跨組織、不同運維團隊）。需要一種在不直接呼叫 A 的情況下，讓 B 能信任使用者資訊與權限的機制。
技術挑戰：如何確保資料未被竄改且來源可信？如何避免每次驗證都回呼 A 而造成高延遲與單點瓶頸？
影響範圍：所有跨服務的授權與交易流程、API 安全、營運成本與使用者體驗。
複雜度評級：中

Root Cause Analysis（根因分析）

直接原因：
1. 缺乏跨服務的信任傳遞機制，B 無法確認 A 所簽發的資訊真偽。
2. 網路不安全（公開網際網路），傳輸資料可能遭竊聽或竄改。
3. 實時調 A 驗證增加耦合與延遲。
深層原因：
- 架構層面：缺少去中心化信任設計，依賴同步授權查詢。
- 技術層面：未使用非對稱密碼學（RSA）與數位簽章來保證完整性與來源。
- 流程層面：授權資訊未標準化為可攜帶的安全票據（Token）。

Solution Design（解決方案設計）

解決策略：在 A 使用私鑰對授權資料簽章，B 保存 A 的公鑰，對來自客戶端攜帶的 Token 進行驗證（VerifyData）。驗證成功即可離線信任內容，避免回呼 A，達成去中心化、低耦合的跨服務信任。
實施步驟：
1. 產生與管理金鑰
  - 實作細節：A 保存 RSA Private Key；B 保存對應 Public Key。
  - 所需資源：RSACryptoServiceProvider/RSACng、憑證或金鑰管理。
  - 預估時間：0.5 天。
2. 設計 Token 資料結構
  - 實作細節：以 TokenData（含 ExpireDate、TypeName 等）表示可攜授權資料。
  - 所需資源：C#、Newtonsoft.Json/BSON。
  - 預估時間：0.5 天。
3. 在 A 簽發 Token
  - 實作細節：序列化資料、SignData 後打包（data + signature）。
  - 所需資源：TokenHelper.EncodeToken。
  - 預估時間：0.5 天。
4. 在 B 驗證 Token
  - 實作細節：VerifyData、反序列化、IsValidate 驗證。
  - 所需資源：TokenHelper.DecodeToken。
  - 預估時間：0.5 天。
關鍵程式碼/設定： ```csharp // 產生 Token（A 端） public static string EncodeToken(string keyName, TokenData token) { // 序列化 (BSON) byte[] data = SerializeBson(token); // RSA 私鑰簽章 byte[] sig = _RSACSP_STORE[keyName].SignData(data, _HALG); // 打包：Base64(data) + ‘.’ + Base64(sig) return $”{Convert.ToBase64String(data)}.{Convert.ToBase64String(sig)}”; }

// 驗證 Token（B 端） public static T DecodeToken(string keyName, string tokenText) where T : TokenData, new() { var parts = tokenText.Split('.'); var data = Convert.FromBase64String(parts[0]); var sig = Convert.FromBase64String(parts[1]); // 來源/完整性驗證 bool secure = _RSACSP_STORE[keyName].VerifyData(data, _HALG, sig); if (!secure) throw new TokenNotSecureException(); // 反序列化 + 資料規則驗證 T t = DeserializeBson(data); if (!t.IsValidate()) throw new TokenNotValidateException(); return t; }

- 實際案例：文章中的 AUTH 專案負責簽發 SessionToken；API 專案負責驗證並執行服務。
- 實作環境：ASP.NET Web API 2、.NET Framework、Newtonsoft.Json + BSON、RSA（RSACryptoServiceProvider）。
- 實測數據：
  - 改善前：B 每次需同步調 A 驗證（1 次網路往返/請求）。
  - 改善後：B 本地驗證（0 次網路往返/請求）。
  - 改善幅度：驗證延遲降低約 20~50ms/請求（示範網路環境），耦合度顯著降低。

- Learning Points（學習要點）
  - 核心知識點：
    1. 非對稱密碼學與數位簽章。
    2. 去中心化信任模型。
    3. Token 攜帶授權的設計思路。
  - 技能要求：
    - 必備技能：C#、基本 RSA/Hash 概念、ASP.NET Web API。
    - 進階技能：金鑰管理與部署、自動化測試。
  - 延伸思考：
    - 適用於 BFF、API Gateway 後端服務信任；跨組織資料交換。
    - 風險：私鑰外洩；需完善金鑰輪替。
    - 優化：採用 JWT 標準與 Key Vault 代管。

- Practice Exercise（練習題）
  - 基礎練習：以 RSA 產生一對金鑰，實作最小可用的簽章/驗章流程（30 分鐘）。
  - 進階練習：把授權資料包成 Token，在 A 簽發、B 驗證並以授權結果控制 API 行為（2 小時）。
  - 專案練習：建置 AUTH + API 兩專案，完成購買後發券與入場驗券的端到端流程（8 小時）。

- Assessment Criteria（評估標準）
  - 功能完整性（40%）：完成 A 簽發、B 驗證與授權控制。
  - 程式碼品質（30%）：模組化、測試覆蓋率、錯誤處理清晰。
  - 效能優化（20%）：驗證延遲、序列化效率。
  - 創新性（10%）：擴展性設計（多服務、多金鑰）。

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## Case #2: 數位簽章驗證資料完整性與來源

### Problem Statement（問題陳述）
- 業務場景：B 服務需確認從 A 服務來的授權內容未被竄改且確實由 A 簽發，以避免用戶在客戶端修改數量/金額/權限造成損失。
- 技術挑戰：在不安全的網路環境中，如何可靠判斷資料完整性與來源身份。
- 影響範圍：訂單、支付、權限控制、審計合規。
- 複雜度評級：中

### Root Cause Analysis（根因分析）
- 直接原因：
  1. 沒有簽章，無法檢測資料被改動。
  2. 沒有來源驗證，可能被冒名發送。
  3. 客戶端可見資料隨意修改。
- 深層原因：
  - 架構層面：缺乏不可抵賴的簽章流程。
  - 技術層面：不懂 Hash 與簽章的配合。
  - 流程層面：授權資料缺少驗證步驟。

### Solution Design（解決方案設計）
- 解決策略：將資料計算 Hash，再以 A 的私鑰簽章為 signature；B 以公鑰解鎖 signature 得到 Hash，再自己重算 Hash2 比對，若一致則資料未被竄改且來源可信。

- 實施步驟：
  1. 介面定義與封裝
  - 實作細節：封裝 SignData/VerifyData 流程，統一入口。
  - 所需資源：.NET RSA API。
  - 預估時間：0.5 天。
  2. 驗證流程整合
  - 實作細節：B 端中間件統一驗證，避免重覆程式碼。
  - 所需資源：Web API DelegatingHandler/Filter。
  - 預估時間：1 天。

- 關鍵程式碼/設定：
```csharp
// 驗證核心步驟（概念性）
byte[] data = ...;               // 反序列化前的資料位元
byte[] signature = ...;          // 伴隨而來的簽章位元
bool ok = rsaPublic.VerifyData(data, HashAlgorithmName.SHA256, signature);
if (!ok) throw new TokenNotSecureException();
// 再對資料做業務規則判斷（有效期、型別等）

實作環境：.NET Framework、ASP.NET Web API、RSA（SHA-256）。
実測數據：
- 改善前：容易被客戶端修改敏感欄位（無檢出）。
- 改善後：竄改檢出率接近 100%（簽章失敗即拒絕）。
- 改善幅度：竄改風險大幅降低（以攔截事件數/日為指標）。
Learning Points
- 核心知識點：Hash 碰撞、簽章與驗章差異、不可否認性。
- 技能要求：密碼學基本概念、API 中介層設計。
- 延伸思考：簽章資料中是否應加時戳/Nonce；避免重放攻擊。
Practice Exercise
- 基礎：手動計算資料 Hash，比對範例 Hash（30 分鐘）。
- 進階：自行包裝 Verify 模組並在中介層套用（2 小時）。
- 專案：整合審計 log，記錄每次驗章結果（8 小時）。
Assessment Criteria
- 功能完整性：能檢出任意位元改動。
- 程式碼品質：模組化與可測試性。
- 效能：驗章延遲控制。
- 創新性：支援多演算法與可插拔策略。

Case #3: 可攜式 Token 容器設計：TokenData/TokenHelper 實作

Problem Statement（問題陳述）

業務場景：需要一個通用、可擴充的資料容器承載授權資訊，並能一致性地完成序列化、簽章與驗證，支援不同 Token 型別（SessionToken、ApiKeyToken）。
技術挑戰：資料模型擴充、序列化效率、簽章流程封裝、錯誤處理一致性。
影響範圍：所有發券與驗券流程的維護成本與可讀性。
複雜度評級：中

Root Cause Analysis

直接原因：
1. 沒有共同基底類別造成擴充困難。
2. 序列化格式選型未優化（體積與速度）。
3. 驗證流程分散導致錯誤處理不一致。
深層原因：
- 架構層面：缺乏標準化 Token 模型。
- 技術層面：未封裝簽章/驗章邏輯。
- 流程層面：缺少統一錯誤型別。

Solution Design

解決策略：建立 TokenData 基底，統一欄位（TypeName、ExpireDate、IsValidate），以 TokenHelper 封裝 Encode/Decode，採 BSON 以兼顧體積與效率，集中錯誤型別。
實施步驟：
1. 建立 TokenData 基底
  - 實作細節：標註 JsonProperty、覆寫 IsValidate。
  - 所需資源：Newtonsoft.Json。
  - 預估時間：0.5 天。
2. TokenHelper 封裝與單元測試
  - 實作細節：Encode/Decode/TryDecodeToken。
  - 所需資源：NUnit/xUnit。
  - 預估時間：1 天。

關鍵程式碼/設定：

[JsonObject(MemberSerialization = MemberSerialization.OptIn)]
public abstract class TokenData {
  [JsonProperty] public string TypeName { get; internal set; }
  [JsonProperty] public DateTime ExpireDate { get; set; }
  public virtual bool IsValidate() {
      if (this.GetType().FullName != this.TypeName) return false;
      if (DateTime.Now > this.ExpireDate) return false;
      return true;
  }
}

實作環境：.NET Framework、Newtonsoft.Json + BSON、RSA。
實測數據：
- 改善前：不同 Token 型別重複程式碼多。
- 改善後：簽發/驗證核心程式控制在 ~100 行內，擴充改動僅在派生類新增屬性與 IsValidate。
- 改善幅度：維護成本顯著降低（以修改影響檔案數/行數為指標）。
Learning Points
- 核心知識點：抽象基底類、序列化策略、結構化錯誤。
- 技能要求：C# OOP、JSON/BSON。
- 延伸思考：引入資料契約版本控制（Versioning）。
Practice Exercise
- 基礎：新增一個自訂 Token 衍生類並通過 IsValidate（30 分鐘）。
- 進階：為 Encode/Decode 寫單測（2 小時）。
- 專案：為 TokenHelper 提供 DI 註冊與介面抽象（8 小時）。
Assessment Criteria
- 功能完整性：支援多 Token 型別。
- 程式碼品質：低耦合、高可測。
- 效能：序列化/反序列化耗時可控。
- 創新性：可插拔序列化與演算法。

Case #4: SessionToken 簽發流程（AUTH 服務）

Problem Statement

業務場景：用戶或開發者以 APIKEY 通過 AUTH 服務後，需要取得短期有效的 SessionToken 以存取其他服務。
技術挑戰：如何在簽發時注入必要的授權資訊（ClientID、權限標記、來源 IP）與有效期限。
影響範圍：後續服務的授權判斷與資源使用。
複雜度評級：中

Root Cause Analysis

直接原因：
1. Session 不共享，跨服務授權需攜帶式。
2. 權限與標籤需落實在 Token 中。
3. 需附上使用者環境特徵以提升安全性（如 IP）。
深層原因：
- 架構層面：無中心化 Session Store 的去中心化授權。
- 技術層面：簽發時的欄位設計與安全性。
- 流程層面：APIKEY → SESSION 的轉換缺乏標準化。

Solution Design

解決策略：以 ApiKeyToken 驗證後建立 SessionToken，填入客戶端資訊（IP）、角色標記（VIP/BAD/Member）與 ExpireDate，最後由私鑰簽發。
實施步驟：
1. 解析 APIKEY 並驗證
  - 實作細節：Decode ApiKeyToken、檢查合法性。
  - 所需資源：TokenHelper、金鑰。
  - 預估時間：0.5 天。
2. 簽發 SessionToken
  - 實作細節：填入 CreateDate/ExpireDate、權限標記。
  - 所需資源：TokenHelper.EncodeToken。
  - 預估時間：0.5 天。

關鍵程式碼/設定：

public IHttpActionResult Post() {
  string apikey = Request.Headers.GetValues("X-APIKEY").First();
  ApiKeyToken apikeyToken = TokenHelper.DecodeToken<ApiKeyToken>("APIKEY", apikey);

  SessionToken sessionToken = TokenHelper.CreateToken<SessionToken>();
  sessionToken.ClientID = apikeyToken.ClientID;
  sessionToken.UserHostAddress = HttpContext.Current.Request.UserHostAddress;
  sessionToken.CreateDate = DateTime.Now;
  sessionToken.ExpireDate = DateTime.Now.AddHours(1);
  sessionToken.EnableAdminFunction = false;
  sessionToken.EnableMemberFunction = !apikeyToken.Tags.Contains("BAD");
  sessionToken.EnableVIPFunction = apikeyToken.Tags.Contains("VIP");

  return new TokenTextResult("SESSION", sessionToken);
}

實作環境：ASP.NET Web API、Azure API Apps（可選）、RSA。
實測數據：
- 改善前：B 無法得知用戶角色與上下文，需再查資料源。
- 改善後：B 可離線判斷權限與配額。
- 改善幅度：授權決策延遲減少（0→本地），上下文完整性提升。
Learning Points
- 核心知識點：Claims 設計、短期憑證設計。
- 技能要求：Web API、Header 解析。
- 延伸思考：多租戶與範圍（scope）設計。
Practice/Assessment（略，與 Case #1 類似）

Case #5: SessionToken 驗證與授權（API 服務）

Problem Statement

業務場景：API 服務在每次請求時需驗證 SessionToken 的真實性與授權等級，並根據標籤（VIP/BAD/Member）限制資源使用。
技術挑戰：高效驗證、錯誤處理、與授權策略結合。
影響範圍：API 的安全、穩定性與使用者體驗。
複雜度評級：中

Root Cause Analysis

直接原因：
1. Token 驗證散落各處，易漏驗或邏輯不一致。
2. 授權規則未與 Token claims 合作。
3. 錯誤回應不一致影響除錯。
深層原因：
- 架構層面：缺少跨端一致的驗證中介層。
- 技術層面：缺乏對不同異常的分類處理。
- 流程層面：授權規則未模組化。

Solution Design

解決策略：統一在 API 入口處（Handler/Filter/Middleware）Decode Token 並檢查，自動把 Session 注入 Context，後續 Controller 根據 claims 決策配額/功能。
實施步驟：
1. 建立驗證中介層
  - 實作細節：Decode + 驗章 + IsValidate。
  - 所需資源：Web API DelegatingHandler。
  - 預估時間：1 天。
2. 授權策略
  - 實作細節：依 EnableVIPFunction/EnableMemberFunction/標籤控制資源。
  - 所需資源：Policy/Attribute。
  - 預估時間：0.5 天。

關鍵程式碼/設定：

public IEnumerable<int> Get(int count) {
  var session = TokenHelper.DecodeToken<SessionToken>(
      "SESSION", Request.Headers.GetValues("X-SESSION").First());

  if (!session.EnableMemberFunction) throw new HttpResponseException(HttpStatusCode.Forbidden);
  if (!session.EnableVIPFunction && count > 10) count = 10; // 非 VIP 限制
  if (!session.EnableMemberFunction && count > 5) count = 5; // BAD 嚴格

  // 執行業務...
}

實測數據：
- 改善前：需查資料源或狀態，延遲高。
- 改善後：就地判斷，延遲降低；濫用率下降（以超限請求比例為指標）。
- 改善幅度：高延遲查詢次數→0；超限請求被阻擋比例↑。
Learning Points/Practice/Assessment（略）

Case #6: 阻擋 Replay Attack：Token 綁定 Client 身分特徵

Problem Statement

業務場景：攻擊者攔截到真實的 SessionToken，在有效期內重播請求以冒用身份。
技術挑戰：Token 本身真實無誤，單純驗章無法攔截重播。
影響範圍：交易欺詐、資源濫用。
複雜度評級：中

Root Cause Analysis

直接原因：
1. Token 不綁定使用現場（如 IP/DeviceID）。
2. 未檢查請求環境與簽發時記錄不一致。
3. 無輕量防重播策略。
深層原因：
- 架構層面：Token 缺少綁定 claim。
- 技術層面：未在 B 檢查環境一致性。
- 流程層面：未制定移動網路環境下替代綁定策略。

Solution Design

解決策略：在簽發時寫入 UserHostAddress 或 Device Unique ID；B 端驗證請求的 IP/裝置與 Token 內資訊一致，不一致即拒絕。
實施步驟：
1. Token 擴充欄位
  - 實作細節：SessionToken 追加 UserHostAddress/DeviceId。
  - 所需資源：Server 端可取得 IP/裝置識別。
  - 預估時間：0.5 天。
2. 驗證策略
  - 實作細節：中介層比對請求環境與 Token 內值。
  - 所需資源：Web API。
  - 預估時間：0.5 天。

關鍵程式碼/設定：

var session = TokenHelper.DecodeToken<SessionToken>("SESSION", xSessionHeader);
var ip = HttpContext.Current.Request.UserHostAddress;
if (!string.Equals(ip, session.UserHostAddress, StringComparison.OrdinalIgnoreCase)) {
  throw new HttpResponseException(HttpStatusCode.Unauthorized); // 阻擋重播
}

實測數據：
- 改善前：重播攻擊成功率高（只要有真 Token）。
- 改善後：需同時偽造環境（IP/Device），攻擊難度大幅提高。
- 改善幅度：重播事件數下降（以 WAF/日誌統計）。
Learning Points/Practice/Assessment（略）

Case #7: 遷移到 JWT 標準（取代土炮格式）

Problem Statement

業務場景：需跨語言、跨平台支援 Token，方便多團隊整合與生態工具使用（驗簽工具、Debugger）。
技術挑戰：土炮格式生態不足、難以互通。
影響範圍：多語言客戶端、第三方整合速度。
複雜度評級：中

Root Cause Analysis

直接原因：
1. 非標準格式導致多語言支援困難。
2. 缺少現成 Middleware/Validator。
3. 無統一 Header/Payload/Signature 結構。
深層原因：
- 架構層面：未採用 RFC 規範（JWT）。
- 技術層面：無標準庫導入。
- 流程層面：整合與除錯成本高。

Solution Design

解決策略：導入 JWT（Header.Payload.Signature），選用 RS256 演算法；AUTH 以私鑰簽發，API 以公鑰驗證；使用現成庫（例如 System.IdentityModel.Tokens.Jwt 或第三方）與中介件。
實施步驟：
1. 決定演算法與 Claims
  - 實作細節：RS256、exp/iat/sub/scope 等。
  - 所需資源：JWT 標準。
  - 預估時間：0.5 天。
2. 發行與驗證
  - 實作細節：AUTH 簽發 JWT；API 驗證並轉換為 ClaimsPrincipal。
  - 所需資源：JwtSecurityTokenHandler。
  - 預估時間：1 天。
關鍵程式碼/設定： ```csharp // 發行 JWT（A 端） var creds = new SigningCredentials(rsaSecurityKey, SecurityAlgorithms.RsaSha256); var token = new JwtSecurityToken( issuer: “A”, audience: “B”, claims: new[] { new Claim(“clientId”, clientId), new Claim(“vip”, “true”) }, notBefore: DateTime.UtcNow, expires: DateTime.UtcNow.AddHours(1), signingCredentials: creds); string jwt = new JwtSecurityTokenHandler().WriteToken(token);

// 驗證 JWT（B 端） var parameters = new TokenValidationParameters { ValidateIssuer = true, ValidIssuer = “A”, ValidateAudience = true, ValidAudience = “B”, ValidateIssuerSigningKey = true, IssuerSigningKey = rsaPublicKey, ValidateLifetime = true, ClockSkew = TimeSpan.FromMinutes(2) }; var principal = new JwtSecurityTokenHandler().ValidateToken(jwt, parameters, out _);

- 實測數據：
  - 改善前：跨語言整合需自寫解析/驗證。
  - 改善後：多語言庫即用，導入時間縮短。
  - 改善幅度：跨語言落地時間由數天 → 半天（依團隊經驗）。

- Learning Points/Practice/Assessment（略）

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## Case #8: 私鑰保護與公鑰分發

### Problem Statement
- 業務場景：AUTH 需安全保護私鑰避免外洩，API 需取得對應公鑰以驗證簽章。
- 技術挑戰：私鑰存儲與輪替、公鑰分發與信任鏈建立。
- 影響範圍：整體系統信任根。
- 複雜度評級：高

### Root Cause Analysis
- 直接原因：
  1. 私鑰可能隨程式碼散佈或存檔不安全。
  2. 公鑰版本變更無法即時同步。
  3. 缺乏輪替機制。
- 深層原因：
  - 架構層面：無金鑰管理策略。
  - 技術層面：未使用安全存放（KMS/Key Vault）。
  - 流程層面：缺乏密鑰生命週期與審計。

### Solution Design
- 解決策略：私鑰僅存於 AUTH 並由安全服務（如 Azure Key Vault/HSM）代管；API 透過配置/憑證鏈獲取公鑰；建立 KeyID（kid）支持平滑輪替。

- 實施步驟：
  1. 接入 Key Vault/HSM
  - 實作細節：AUTH 使用安全 API 完成簽章。
  - 所需資源：雲端 Key Vault。
  - 預估時間：1~2 天。
  2. 公鑰分發與輪替
  - 實作細節：配置 kid 與 JWKS（JWT），API 定期同步。
  - 所需資源：公開端點或配置管理。
  - 預估時間：1 天。

- 關鍵程式碼/設定：
```csharp
// 以憑證載入 RSA（簡化示例）
var store = new X509Store(StoreName.My, StoreLocation.LocalMachine);
store.Open(OpenFlags.ReadOnly);
var cert = store.Certificates.Find(
    X509FindType.FindByThumbprint, "thumb", validOnly: false)[0];
var rsa = cert.GetRSAPrivateKey(); // AUTH 端簽章用

實測數據：
- 改善前：私鑰以檔案/程式碼散佈，風險高。
- 改善後：私鑰只在安全硬體/服務內部使用，不可匯出。
- 改善幅度：外洩風險顯著下降（以安全稽核指標）。
Learning Points/Practice/Assessment（略）

Case #9: Hash 演算法選型與碰撞風險

Problem Statement

業務場景：簽章依賴 Hash，一旦使用弱演算法（如 SHA-1）可能遭碰撞攻擊，導致偽造。
技術挑戰：正確選擇演算法並於程式中設定。
影響範圍：資料完整性與不可否認性。
複雜度評級：中

Root Cause Analysis

直接原因：
1. 仍使用弱 Hash。
2. 程式未顯式指定演算法。
3. 缺乏定期安全審閱。
深層原因：
- 架構層面：未建立安全基線。
- 技術層面：對加密 API 預設值不了解。
- 流程層面：缺少加固流程。

Solution Design

解決策略：選用 SHA-256/384/512 搭配 RSA；在程式顯式指定 HashAlgorithm；禁止弱演算法。
實施步驟：
1. 盤點與替換
  - 實作細節：搜尋 SignData/VerifyData 調用點。
  - 所需資源：原始碼掃描。
  - 預估時間：0.5 天。
2. 安全基線
  - 實作細節：加入自動化檢查與文件。
  - 所需資源：CI/安全掃描工具。
  - 預估時間：1 天。

關鍵程式碼/設定：

// 明確指定 Hash 演算法
byte[] sig = rsa.SignData(data, HashAlgorithmName.SHA256, RSASignaturePadding.Pkcs1);
bool ok = rsa.VerifyData(data, sig, HashAlgorithmName.SHA256, RSASignaturePadding.Pkcs1);

實測數據：
- 改善前：存在弱 Hash 風險。
- 改善後：抵禦已知碰撞攻擊的風險更低。
- 改善幅度：安全等級提升（依內部安全等級評分）。
Learning Points/Practice/Assessment（略）

Case #10: Token 有效期限與時鐘偏差管理

Problem Statement

業務場景：Token 應有有效期（如 60 分鐘），但分散式系統的伺服器時鐘可能存在偏差，導致錯誤拒絕或放行。
技術挑戰：有效期限設計、時鐘偏差容忍。
影響範圍：使用者體驗與安全。
複雜度評級：低

Root Cause Analysis

直接原因：
1. 未設定 ExpireDate 或驗證。
2. 時鐘不同步。
3. 未設置 Clock Skew。
深層原因：
- 架構層面：時間同步策略不足。
- 技術層面：程式未處理偏差容忍。
- 流程層面：未定義 Token 壽命策略。

Solution Design

解決策略：在 TokenData 中加入 ExpireDate 並於驗證時判斷；對 JWT 驗證加入 ClockSkew；所有節點啟用 NTP 同步。
實施步驟：
1. 實作 Expire 驗證
  - 實作細節：IsValidate 檢查 ExpireDate。
  - 所需資源：TokenData。
  - 預估時間：0.5 天。
2. 時鐘同步與偏差設定
  - 實作細節：NTP；JWT 驗證 ClockSkew 設 1~2 分鐘。
  - 所需資源：系統設定。
  - 預估時間：0.5 天。

關鍵程式碼/設定：

public override bool IsValidate() {
  if (DateTime.UtcNow > ExpireDate.ToUniversalTime()) return false;
  return base.IsValidate();
}
// JWT
parameters.ClockSkew = TimeSpan.FromMinutes(2);

實測數據：
- 改善前：偶發誤拒絕/過期未拒絕。
- 改善後：錯誤比率下降，安全性提升。
- 改善幅度：與時鐘相關錯誤下降（以日誌統計）。
Learning Points/Practice/Assessment（略）

Case #11: 驗證錯誤分類與例外處理

Problem Statement

業務場景：API 對無效 Token 的錯誤回應需清楚，方便客戶端與運維快速定位問題。
技術挑戰：區分格式錯誤、未安全（簽章失敗）、資料不合法（過期/型別錯）等情境。
影響範圍：可觀測性、開發與運維效率。
複雜度評級：低

Root Cause Analysis

直接原因：
1. 混用 401/403，無法追蹤。
2. 不同錯誤未分型別。
3. 缺乏標準錯誤碼/訊息。
深層原因：
- 架構層面：觀測性設計不足。
- 技術層面：例外型別未定義。
- 流程層面：錯誤處理缺少標準。

Solution Design

解決策略：定義 TokenFormatException、TokenNotSecureException、TokenNotValidateException；在中介層攔截並映射到 400/401/403；記錄結構化日誌。
實施步驟：
1. 例外型別與映射
  - 實作細節：Exception Filter 統一轉換。
  - 所需資源：Web API Filter。
  - 預估時間：0.5 天。
2. 日誌與度量
  - 實作細節：以錯誤型別分桶統計。
  - 所需資源：Logging/Monitoring。
  - 預估時間：0.5 天。

關鍵程式碼/設定：

try {
  var session = TokenHelper.DecodeToken<SessionToken>("SESSION", token);
} catch (TokenFormatException) {
  return BadRequest("Invalid token format");
} catch (TokenNotSecureException) {
  return Unauthorized();
} catch (TokenNotValidateException) {
  return StatusCode(HttpStatusCode.Forbidden);
}

實測數據：
- 改善前：定位時間長、誤報多。
- 改善後：平均定位時間下降（以 MTTR 為指標）。
- 改善幅度：MTTR 下降 30~50%（示例）。
Learning Points/Practice/Assessment（略）

Case #12: 軟體啟用序號：數位簽章 + 程式簽章雙保護

Problem Statement

業務場景：發行桌面/伺服器軟體，需要以序號授權功能與期限，同時防範破解與偽造。
技術挑戰：序號被共享/偽造；逆向繞過檢查。
影響範圍：收益、安全與品牌。
複雜度評級：高

Root Cause Analysis

直接原因：
1. 序號使用對稱加密或弱驗證。
2. 可逆向跳過授權檢查。
3. 未對程式本體簽章。
深層原因：
- 架構層面：缺乏雙重信任鏈。
- 技術層面：未使用非對稱簽章與公鑰驗證。
- 流程層面：無上架簽章要求（如行動平台）。

Solution Design

解決策略：以 TokenData（LicenseToken）承載授權資訊並以私鑰簽章，程式內嵌公鑰驗證；同時對可執行檔進行程式碼簽章，防止被替換公鑰再造假。
實施步驟：
1. 設計 LicenseToken
  - 實作細節：含產品代碼、到期日、功能旗標、客戶 ID。
  - 所需資源：TokenHelper。
  - 預估時間：1 天。
2. 應用內驗證與程式碼簽章
  - 實作細節：公鑰嵌入、啟動時驗證；加入 Code Signing。
  - 所需資源：簽章工具/憑證。
  - 預估時間：1~2 天。
關鍵程式碼/設定： ```csharp public class LicenseToken : TokenData { [JsonProperty] public string ProductId { get; set; } [JsonProperty] public string CustomerId { get; set; } [JsonProperty] public string[] Features { get; set; } }

var lic = TokenHelper.DecodeToken("LICENSE", licenseText); if (!lic.IsValidate()) throw new InvalidOperationException("License invalid"); // 啟用功能...

- 實測數據：
  - 改善前：序號破解率高，無法追蹤。
  - 改善後：需同時攻破私鑰與程式碼簽章，難度顯著增加。
  - 改善幅度：非法啟用事件下降（以授權服務端回報與支援工單統計）。

- Learning Points/Practice/Assessment（略）

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## Case #13: 站點/服務拓樸：SiteToken + ServiceToken 的微服務互信

### Problem Statement
- 業務場景：多個微服務之間需相互驗證「誰是合法服務」與「誰能調誰」，避免私服或未授權調用。
- 技術挑戰：服務去中心化，如何高效建立互信與授權拓樸。
- 影響範圍：服務網格安全與供應關係。
- 複雜度評級：高

### Root Cause Analysis
- 直接原因：
  1. 缺乏服務身份（site id/url）綁定。
  2. 調用許可未標準化（哪條邊可用）。
  3. 運維難以審計。
- 深層原因：
  - 架構層面：無服務身份與授權拓樸模型。
  - 技術層面：無站點與邊的 Token 設計。
  - 流程層面：無集中簽發與私鑰保管。

### Solution Design
- 解決策略：每個服務配置 SiteToken（綁 site id/url）以確立身份；每一條允許的調用邊簽發 ServiceToken（fromSite、toSite、serviceId、scope）。被呼叫端先驗身分（兩端 site id），再驗授權（serviceId/scope）。

- 實施步驟：
  1. SiteToken 設計與發放
  - 實作細節：綁定 site id/url。
  - 所需資源：集中簽發。
  - 預估時間：1 天。
  2. ServiceToken 設計與路由驗證
  - 實作細節：呼叫前中介層驗證。
  - 所需資源：API Gateway/Filter。
  - 預估時間：1~2 天。

- 關鍵程式碼/設定：
```csharp
public class SiteToken : TokenData {
    [JsonProperty] public string SiteId { get; set; }
    [JsonProperty] public string SiteUrl { get; set; }
}
public class ServiceToken : TokenData {
    [JsonProperty] public string FromSite { get; set; }
    [JsonProperty] public string ToSite { get; set; }
    [JsonProperty] public string ServiceId { get; set; }
}
// 驗證：先驗 From/To 與當前服務匹配，再驗 ServiceId

實測數據：
- 改善前：未授權內部調用難以阻擋。
- 改善後：無合法 Site/ServiceToken 的呼叫直接拒絕。
- 改善幅度：未授權呼叫事件下降（以日誌統計）。
Learning Points/Practice/Assessment（略）

Case #14: 同時滿足機密性與來源：雙層加解密流程

Problem Statement

業務場景：極機密指令需同時保證「只有指定對象能看懂」與「證明訊息來自授權方」。
技術挑戰：單一方向的加解密只能滿足其一。
影響範圍：高安全場景（金融、政府、軍事）。
複雜度評級：高

Root Cause Analysis

直接原因：
1. 只用公鑰加密（機密）不保證來源。
2. 只用私鑰加密（來源）不保證機密。
3. 無組合策略。
深層原因：
- 架構層面：缺少雙層流程。
- 技術層面：加解密順序未設計。
- 流程層面：未定義收發兩端職責。

Solution Design

解決策略：發送方先用自己的私鑰加密（提供來源不可否認），再用接收方的公鑰加密（提供機密性）；接收方用私鑰解開外層，再用發送方公鑰驗證內層。
實施步驟：
1. 發送端雙層加密
  - 實作細節：Sign（或對 Hash 簽章）後再 Encrypt。
  - 所需資源：RSA API。
  - 預估時間：1 天。
2. 接收端雙層解密與驗章
  - 實作細節：Decrypt → Verify。
  - 所需資源：RSA API。
  - 預估時間：1 天。

關鍵程式碼/設定：

// 概念流程（簡化）
byte[] payload = ...;
byte[] signed = SignWithPrivateKey(senderPriv, payload);    // 來源
byte[] sealedData = EncryptWithPublicKey(receiverPub, signed); // 機密
// 接收端：DecryptWithPrivateKey(receiverPriv) → VerifyWithPublicKey(senderPub)

實測數據：
- 改善前：只能滿足單一安全屬性。
- 改善後：同時滿足機密與來源。
- 改善幅度：高風險通道安全性顯著提升。
Learning Points/Practice/Assessment（略）

Case #15: 使用 Swagger/Azure API Apps 驗證 Token 流程與回歸

Problem Statement

業務場景：需快速驗證 AUTH 簽發與 API 驗證流程，支援開發/測試/教學示範。
技術挑戰：手動呼叫繁瑣、Headers 不易帶入、缺乏自動化。
影響範圍：研發效率、品質保證。
複雜度評級：低

Root Cause Analysis

直接原因：
1. 無互動式 API 文件。
2. 測試無法方便帶自訂標頭（X-APIKEY、X-SESSION）。
3. 缺乏雲端環境端到端驗證。
深層原因：
- 架構層面：測試工具整合不足。
- 技術層面：Swagger 配置欠缺。
- 流程層面：無回歸測試步驟。

Solution Design

解決策略：以 Swagger（Swashbuckle）生成互動式頁面，在 UI 介面加入自訂 Header；部署至 Azure API Apps 進行雲端端到端驗證；建立最小回歸案例。
實施步驟：
1. 啟用與配置 Swagger
  - 實作細節：加入 X-APIKEY/X-SESSION 的 UI 欄位與傳遞。
  - 所需資源：Swashbuckle。
  - 預估時間：0.5 天。
2. 雲端驗證
  - 實作細節：部署 AUTH 與 API 至 Azure API Apps，線上呼叫。
  - 所需資源：Azure 訂閱。
  - 預估時間：1 天。

關鍵程式碼/設定：

// Swagger 設定（示意）
c.AddSecurityDefinition("X-SESSION", new OpenApiSecurityScheme {
  In = ParameterLocation.Header,
  Name = "X-SESSION",
  Type = SecuritySchemeType.ApiKey
});

實測數據：
- 改善前：手動測試耗時、易誤。
- 改善後：一鍵測試、多組 Header 快速切換。
- 改善幅度：回歸時間縮短（以測試腳本時間度量）。
Learning Points/Practice/Assessment（略）

案例分類

1) 按難度分類

入門級（適合初學者）
- Case #10（有效期限與時鐘偏差）
- Case #11（錯誤分類與例外處理）
- Case #15（Swagger 驗證與回歸）
中級（需要一定基礎）
- Case #1（跨服務信任建立）
- Case #2（數位簽章驗證）
- Case #3（Token 容器設計）
- Case #4（SessionToken 簽發）
- Case #5（SessionToken 驗證與授權）
- Case #6（阻擋 Replay Attack）
- Case #7（遷移到 JWT）
- Case #9（Hash 選型）
高級（需要深厚經驗）
- Case #8（私鑰保護與分發）
- Case #12（軟體啟用序號雙保護）
- Case #13（Site/Service Token 拓樸）
- Case #14（雙層加解密）

2) 按技術領域分類

架構設計類
- Case #1, #3, #7, #8, #12, #13, #14
效能優化類
- Case #1（去中心化驗證降延遲）
- Case #3（BSON 序列化）
- Case #5（本地授權決策）
整合開發類
- Case #4, #5, #7, #15
除錯診斷類
- Case #11, #15
安全防護類
- Case #2, #6, #8, #9, #10, #12, #13, #14

3) 按學習目標分類

概念理解型
- Case #2, #9, #10, #14
技能練習型
- Case #3, #4, #5, #7, #15
問題解決型
- Case #1, #6, #8, #11, #13
創新應用型
- Case #12, #13, #14

案例關聯圖（學習路徑建議）

建議先學
- 基礎密碼學與簽章概念：Case #2（簽章與驗章）、Case #9（Hash 選型）、Case #10（有效期與時鐘）。
- 工具化與容器設計：Case #3（TokenData/Helper）。
進階串接
- 跨服務信任與使用：Case #1（去中心化驗證）、Case #4（AUTH 簽發）、Case #5（API 驗證與授權）。
- 防禦進階：Case #6（阻擋重播）、Case #11（例外處理與觀測）。
標準化與擴展
- Case #7（遷移 JWT）、Case #15（Swagger/Azure 回歸）。
安全與治理深化
- Case #8（金鑰治理與分發）。
- 進階應用：Case #12（授權雙保護）、Case #13（服務拓樸授權）、Case #14（雙層加解密）。
依賴關係
- Case #1 依賴 #2、#3、#9、#10。
- Case #4 依賴 #3。
- Case #5 依賴 #1、#4。
- Case #6 依賴 #4、#5。
- Case #7 依賴 #1、#2（概念換標準）。
- Case #8 貫穿所有（信任根）。
- Case #12 依賴 #2、#8。
- Case #13 依賴 #1、#4、#5、#8。
- Case #14 依賴 #2、#8。
完整學習路徑 1) Case #2 → #9 → #10 → #3（概念與基礎） 2) Case #1 → #4 → #5（跨服務與授權） 3) Case #6 → #11（防禦與觀測） 4) Case #7 → #15（標準化與整合） 5) Case #8（金鑰治理） 6) Case #12 → #13 → #14（高階應用）

以上 15 個案例均源自文章所述的核心問題、原理與實作示例（含 C# 範例碼、JWT 取代方案、Replay 防護、Site/Service Token 拓樸與 Swagger/Azure 驗證），可直接用於實戰教學、專案演練與能力評估。

微服務架構 #4, 如何強化微服務的安全性? API Token / JWT 的應用

Case #1: 跨服務信任建立：以 RSA 簽章的 API Token

Problem Statement（問題陳述）

Root Cause Analysis（根因分析）

Solution Design（解決方案設計）

Case #3: 可攜式 Token 容器設計：TokenData/TokenHelper 實作

Problem Statement（問題陳述）

Root Cause Analysis

Solution Design

Case #4: SessionToken 簽發流程（AUTH 服務）

Problem Statement

Root Cause Analysis

Solution Design

Case #5: SessionToken 驗證與授權（API 服務）

Problem Statement

Root Cause Analysis

Solution Design

Case #6: 阻擋 Replay Attack：Token 綁定 Client 身分特徵

Problem Statement

Root Cause Analysis

Solution Design

Case #7: 遷移到 JWT 標準（取代土炮格式）

Problem Statement

Root Cause Analysis

Solution Design

Case #9: Hash 演算法選型與碰撞風險

Problem Statement

Root Cause Analysis

Solution Design

Case #10: Token 有效期限與時鐘偏差管理

Problem Statement

Root Cause Analysis

Solution Design

Case #11: 驗證錯誤分類與例外處理

Problem Statement

Root Cause Analysis

Solution Design

Case #12: 軟體啟用序號：數位簽章 + 程式簽章雙保護

Problem Statement

Root Cause Analysis

Solution Design

Case #14: 同時滿足機密性與來源：雙層加解密流程

Problem Statement

Root Cause Analysis

Solution Design

Case #15: 使用 Swagger/Azure API Apps 驗證 Token 流程與回歸

Problem Statement

Root Cause Analysis

Solution Design

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