Spring Security 2

 

도서 'Spring in Action' 제 5판을 보고 책 내용과 그 이외의 부족한 부분을 채워가며 공부한 내용입니다.

 

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키워드 : 

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1. 서버(세션) 기반의 인증 시스템

기존의 인증 시스템은 서버 기반의 인증 방식으로, 서버 측에서 사용자들의 정보를 기억하고 있어야 함

사용자들의 정보를 기억하기 위해서는 세션을 유지해야 하는데, 메모리나 디스크 또는 데이터베이스 등을 통해 관리

서버 기반의 인증 시스템은 클라이언트로부터 요청을 받으면, 클라이언트의 상태를 계속해서 유지하고 이 정보를 서비스에 이용하는데, 이러한 서버를 Sateful 서버라고 함

예를 들어 사용자가 로그인을 하면, 세션에 사용자 정보를 저장해두고 서비스를 제공할 때 사용하곤 한다. 이러한 서버 기반의 시스템은 다음과 같은 흐름을 가짐

• 소규모 시스템에서는 아직 많이 사용되고 있지만, 웹/앱 어플리케이션이 발달하면서 서버를 확장하기가 어렵다는 문제점 발생

 

 

세션

사용자가 인증을 할 때, 서버는 이러한 정보를 저장한 것 (서버에 데이터를 저장하는 방식)

대부분의 경우에는 메모리에 저장하는데, 로그인 중인 사용자가 늘어날 경우에는 서버의 RAM에 부하가 걸리게 됨

이를 피하기 위해 데이터베이스에 저장을 하기도 하는데, 이러한 방식 역시 데이터베이스에 무리를 줄 수 있음

 

확장성

사용자가 늘어나게 되면 많은 트래픽을 처리하기 위해 여러 프로세스를 돌리거나 컴퓨터를 추가하는 등 서버를 확장

세션을 사용한다면 세션을 분산시키는 시스템을 설계해야 하지만 이러한 과정은 매우 어렵고 복잡

 

CORS(Cross-Origin Resource Sharing)

웹 어플리케이션에서 세션을 관리할 때 자주 사용되는 쿠키는 단일 도메인 및 서브 도메인에서만 작동하도록 설계

따라서 쿠키를 여러 도메인에서 관리하는 것은 번거로움

 

HTTP

인터넷에서 데이터를 주고받을 수 있는 프로토콜(==규칙)

• HTTP 특성상 매번 발생하는 HTTP 트랜잭션은 별개의 요청으로 판단하기에 상태를 가질 수 없음

 

트랜잭션

작업단위

page1 요청 후, page2 요청을 할 경우 둘의 요청은 서로 연관성을 가지지 않고 독립적이여서 page1에서 만들어진 데이터는 page2를 요청할 때 유지되지 않음

 

쿠키

Cookie는 필연적인 데이터의 유지를 하기 위해서 사용하기 위해 등장

• 개발을 하다보면 필연적으로 여러 요청에 걸쳐 상태를 유지해야하는 경우가 생김

1. 로그인 이후, 로그인의 상태가 유지되어야하는 경우
2. 쇼핑몰 장바구니를 담은 데이터가 다른 페이지 이동시에도 유지되어야 하는 경우
3. 회원가입시에 입력된 정보가 페이지 전환시에도 유지되어야하는 경우

• cookie는 데이터를 브라우저(사용자)측에 저장해두고 매번 요청시마다 서버로 쿠키를 전송
• 따라서, 사용자에 의한 페이지 전환/새로고침이 되더라도 데이터가 저장된 상태이기에 온전히 받은 데이터가 유지

※ 쿠키가 등장했을 때 하드웨어의 성능이 좋지 못하여 웹서버에 많은 데이터를 저장할 수 없었다.

따라서 쿠키라는 데이터 형식으로 서버가 아닌 클라이언트측에 데이터를 브라우저 자신에게 저장하였던 것.

 

Cookie의 단점

1. 보안에 매우 취약하다. 페이지 요청시에 쿠키 값을 그대로 보낸다.
2. 허용 용량이 적다. 각 쿠키가 저장할 수 있는 데이터는 4Byte를 넘을 수 없다.
3. 웹 브라우저마다 지원 형태가 다르다.
4. 웹 브라우저 변경시, 저장되어있던 쿠키 값을 다른 브라우저에서 사용할 수 없다.
5. 네트워크의 부하, 쿠기의 크기가 클 경우 네트워크의 부하는 커진다.
6. 한번에 하나의 정보만 저장할 수 있다.

Cookie의 단점을 어떻게 보완 = 세션(Session)

하드웨어가 발전함에 따라 중요한 데이터는 서버에 저장하는 방식으로 발전

 

 

 

 

2. 토큰 기반의 인증 시스템

인증받은 사용자들에게 토큰을 발급하고, 서버에 요청을 할 때 헤더에 토큰을 함께 보내도록 하여 유효성 검사

• 더이상 사용자의 인증정보를 서버나 세션에 유지하지 않고 클라이언트 측에서 들어오는 요청만으로 작업처리
• 상태를 유지하지 않기 때문에 Stateless한 구조

 

동작 과정

 

1. 사용자가 아이디와 비밀번호로 로그인
2. 서버 측에서 해당 정보를 검증
3. 정보가 정확하다면 서버 측에서 사용자에게 Signed 토큰을 발급(Signed는 해당 토큰이 서버에서 정상적으로 발급된 토큰임을 증명하는 Signature를 가지고 있다는 것)
4. 클라이언트 측에서 전달받은 토큰을 저장해두고, 서버에 요청을 할 때마다 해당 토큰을 서버에 함께 전달하고 이때 Http 요청 헤더에 토큰을 포함
5. 서버는 토큰을 검증하고, 요청에 응답

 

토큰 기반 인증 시스템의 이점

• 무상태성(Stateless) & 확장성(Scalability)
  • 토큰은 클라이언트 측에 저장되기 때문에 서버는 완전히 Stateless하며, 클라이언트와 서버의 연결고리가 없기 때문에 확장하기에 매우 적합
  • 만약 사용자 정보가 서버 측 세션에 저장된 경우에 서버를 확장하여 분산처리 한다면, 해당 사용자는 처음 로그인 했었던 서버에만 요청을 받도록 설정 필요
  • 토큰을 사용한다면 어떠한 서버로 요청이 와도 상관이 없다.
• 보안성
  • 클라이언트가 서버로 요청을 보낼 때 더 이상 쿠키를 전달하지 않아서 쿠키 사용에 의한 취약점이 사라지게 됨.
  • 하지만 토큰 환경의 취약점이 존재할 수 있으므로 이에 대비필요
• 확장성(Extensibility)
  • 시스템의 확장성을 의미하는 Scalability와 달리 Extensibility는 로그인 정보가 사용되는 분야의 확정을 의미
  • 토큰 기반의 인증 시스템에서는 토큰에 선택적인 권한만 부여하여 발급할 수 있으며 OAuth의 경우 Facebook, Google 등과 같은 소셜 계정을 이용하여 다른 웹서비스에서도 로그인 가능
• 여러 플랫폼 및 도메인
  • 서버 기반 인증 시스템의 문제점 중 하나인 CORS를 해결할 수 있는데, 애플리케이션과 서비스의 규모가 커지면 여러 디바이스를 호환시키고 더 많은 종류의 서비스를 제공
  • 토큰을 사용한다면 어떤 디바이스, 어떤 도메인에서도 토큰의 유효성 검사를 진행한 후에 요청을 처리 가능
  • 이런 구조를 통해 assests 파일(Image, html, css, js 등)은 모두 CDN에서 제공하고, 서버 측에서는 API만 다루도록 설계

 

3. JWT(Json Web Token)

Json 포맷을 이용하여 사용자에 대한 속성을 저장하는 Claim 기반의 Web Token

인증에 필요한 정보들을 Token에 담아 암호화시켜 사용

• 클라이언트와 서버 각각 공개/개인 키를 쌍으로 사용하여 토큰에 서명할 경우, 서명된 토큰은 개인 키를 보여한 서버가 이 서명된  토큰이 정상적인 토큰인지 인증할 수 있음(클라 공개 키 = 서버 개인 키로 인증 가능)
• 토큰 자체를 정보로 사용하는 Self-Contained 방식으로 정보를 안전하게 전달

• 어플리케이션이 실행될 때 JWT를 static 변수와 로컬 스토리지에 저장
• static 변수
  • HTTP 통신을 할때마다 JWT를 HTTP 헤더에 담아 보내야 하는데, 이를 로컬 스토리지에서 계속 불러오면 오버헤드가 발생
  • 클라이언트에서 JWT를 포함해 요청을 보내면 서버는 허가된 JWT인지를 검사
  • 로그아웃을 할 경우 저장된 JWT 데이터 제거(실제는 사용했던 토큰을 blacklist라는 DB테이블에 넣어 해당 토큰의 접근을 막는 작업 필요)

JWT 구조

JWT는 Header, Payload, Signature의 3 부분으로 이루어지며, Json 형태인 각 부분은 Base64Url로 인코딩 되어 표현

또한 각각의 부분을 이어 주기 위해 . 구분자를 사용하여 구분

추가로 Base64Url는 암호화된 문자열이 아니고, 같은 문자열에 대해 항상 같은 인코딩 문자열을 반환

1. Header(헤더)

토큰의 타입(종류)와 서명(signature) 생성에 어떤 알고리즘이 사용되었는지 저장

•  typ
  • 토큰의 타입을 지정 (ex) JWT
• alg
  • 헤더를 암호화 한 것
  • Signature를 해싱하기 위한 알고리즘 지정
  • 서명(Signature) 및 토큰 검증에 사용

 

2. Payload(페이로드)

토큰에서 사용할 정보의 조각들인 클레임(Claim) 존재

 - 내가 로그인한 유저임을 증명하는 기본적인 정보
 - 사후, 클라이언트가 다시 토큰을 보내면 해독해서 DB내의 유저 정보와 비교

• 클레임은 총 3가지, JSON(Key/Value) 형태로 다수의 정보를 넣을 수 있음
• Payload에는 민감한 정보를 담지 말아야 함
  • header와 달리 payload는 json이 디코딩 되어있을 뿐, 특별한 암호가 걸린 것이 아니기 때문
• 클레임(Claim)
  • 등록된 클레임(Registered Claim)
    • 토큰 정보를 표현하기 위해 이미 정해진 종류의 데이터들로, 모두 선택적으로 작성이 가능하며 사용할 것을 권장
    • JWT를 간결하게 하기 위해 key는 모두 길이 3의 String 
      • iss : 토큰 발급자(issuer)
      • sub : 토큰 제목(subject)
      • aud : 토큰 대상자(audience)
      • exp : 토큰 만료 시간(expiration)
      • nbf : 토큰 활성 날짜(not before) - 해당 날짜가 지나기 전의 토큰은 활성화되지 않음
      • iat : 토큰 발급 시간(issued at) - 토큰 발급 이후 경과 시간
      • jti : JWT토큰 식별자(JWT ID) - 중복 방지를 위해 사용하며, 일회용 토큰(Access Token) 등에 사용
  • 공개 클레임(Public Claim)
    • 사용자 정의 클레임
    • 공개용 정보를 위해 사용
    • 충돌방지를 위해 URI 포맷을 사용
      
      • "https://hashtae9study.tistory.com": true
  • 비공개 클레임(Private Claim)
    • 사용자 정의 클레임으로, 서버와 클라이언트 사이에 임의로 지정한 정보를 저장
      • "token_type": access

3. Signature(서명)

토큰을 인코딩하거나 유효성 검증을 할 때 사용하는 고유한 암호화 코드

• 위에서 만든 Header와 Payload의 값을 각각 BASEUrl\로 인코딩(암호화)하고 인코딩한 값을 비밀 키를 이용해 헤더에서 정의한 알고리즘(앞서 Header에서 alg에서 어떤 알고리즘을 활용할건지 결정)으로 해싱하고, 이 값을 다시 BASE64Url로 인코딩하여 생성
• Signature은 서버 측에서 관리하는 비밀키가 유출되지 않는 이상 복호화가 불가능
• Signature는 토큰의 위변조 여부를 확인하는데 사용

Signature = Base64Url(Header) + . + BaseUrl(Payload) + Server's key

 

JWT 토큰 예시

• 생성된 토큰은 HTTP 통신을 할 때 Authorization이라는 key의 value로 사용
• 일반적으로 value에는 Bearer이 앞에 붙음

{ 
    "Authorization": "Bearer {생성된 토큰 값}",
 }

 

JWT 단점

• Self-contained: 토큰 자체에 정보를 담고 있으므로 양날의 검
• 토큰 길이: 토큰의 페이로드(Payload)에 3종류의 클레임을 저장하기 때문에, 정보가 많아질수록 토큰의 길이가 늘어나 네트워크에 부하
• Payload 인코딩: 페이로드(Payload) 자체는 암호화 된 것이 아니라, BASE64Url로 인코딩 된 것. 중간에 Payload를 탈취하여 디코딩하면 데이터를 볼 수 있으므로, JWE로 암호화하거나 Payload에 중요 데이터를 넣지 않아야 함
• Stateless: JWT는 상태를 저장하지 않기 때문에 한번 만들어지면 제어가 불가능 즉, 토큰을 임의로 삭제하는 것이 불가능하므로 토큰 만료 시간을 꼭 넣어줘야 함.
• Store Token: 토큰은 클라이언트 측에서 관리해야 하기 때문에, 토큰을 저장

 

 

 

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참고 자료

1. 크레이그 월즈, Spring in Action, Fifth Edition(출판지 : 제이펍, 2020)

2. https://mangkyu.tistory.com/77