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第一章：FastAPI安全异常处理核心原理与实践

（注：根据用户要求，章节编号从”第一章”开始，不使用”深入”等词汇）

一、认证失败的标准HTTP响应规范

1.1 HTTP状态码的选择原则

HTTP状态码是API与客户端沟通的第一语言。FastAPI建议采用以下规范：

401 Unauthorized：当请求未携带身份凭证，或凭证格式错误时使用
403 Forbidden：当凭证有效但权限不足时使用
422 Unprocessable Entity：当请求体参数验证失败时使用（由Pydantic自动触发）

示例：访问需要管理员权限的接口时，普通用户会收到403而非401，因为此时凭证验证已通过，但权限不足

1.2 标准错误响应结构

建议统一错误响应格式以提升客户端处理效率：

{
    "detail": {
        "code": "AUTH-001",  # 自定义错误编码
        "message": "Token expired",  # 人类可读信息
        "type": "token_expired"  # 机器识别类型
    }
}

1.3 自定义异常处理器

通过覆盖默认异常处理实现标准化：

from fastapi import FastAPI, HTTPException, Request
from fastapi.responses import JSONResponse

app = FastAPI()


@app.exception_handler(HTTPException)
async def custom_http_exception_handler(request: Request, exc: HTTPException):
    return JSONResponse(
        status_code=exc.status_code,
        content={
            "detail": {
                "code": exc.headers.get("X-Error-Code", "UNKNOWN"),
                "message": exc.detail,
                "type": exc.headers.get("X-Error-Type", "unknown")
            }
        },
        headers=exc.headers
    )

二、令牌异常的特殊场景处理

2.1 JWT令牌的三种异常情况

异常类型	检测方法	推荐状态码
签名篡改	签名验证失败	401
过期令牌	检查exp字段	401
格式错误	Header/Payload格式解析失败	401

2.2 令牌校验的依赖注入实现

from jose import JWTError, jwt
from fastapi import Depends, HTTPException
from pydantic import BaseModel


class TokenData(BaseModel):
    username: str | None = None


async def validate_token(token: str = Depends(oauth2_scheme)) -> TokenData:
    credentials_exception = HTTPException(
        status_code=401,
        detail="Could not validate credentials",
        headers={"WWW-Authenticate": "Bearer"},
        headers={"X-Error-Code": "AUTH-003"}
    )
    try:
        payload = jwt.decode(
            token,
            SECRET_KEY,
            algorithms=[ALGORITHM]
        )
        if (exp := payload.get("exp")) is None or exp < datetime.utcnow().timestamp():
            raise HTTPException(status_code=401, detail="Token expired")
        return TokenData(**payload)
    except JWTError as e:
        raise credentials_exception from e

2.3 令牌刷新机制实现

使用双令牌策略（access_token + refresh_token）：

from datetime import datetime, timedelta


def create_tokens(username: str) -> dict:
    access_expire = datetime.utcnow() + timedelta(minutes=15)
    refresh_expire = datetime.utcnow() + timedelta(days=7)

    access_payload = {"sub": username, "exp": access_expire, "type": "access"}
    refresh_payload = {"sub": username, "exp": refresh_expire, "type": "refresh"}

    return {
        "access_token": jwt.encode(access_payload, SECRET_KEY, ALGORITHM),
        "refresh_token": jwt.encode(refresh_payload, SECRET_KEY, ALGORITHM),
        "expires_in": 900  # 秒数
    }

三、完整示例代码

# requirements.txt
fastapi == 0.68
.1
python - jose[cryptography] == 3.3
.0
passlib[bcrypt] == 1.7
.4
uvicorn == 0.15
.0

# main.py
from datetime import datetime, timedelta
from typing import Optional
from fastapi import FastAPI, Depends, HTTPException, status
from fastapi.security import OAuth2PasswordBearer
from jose import JWTError, jwt
from pydantic import BaseModel

# 配置参数
SECRET_KEY = "your-secret-key-here"  # 生产环境应使用环境变量
ALGORITHM = "HS256"
ACCESS_TOKEN_EXPIRE_MINUTES = 30

app = FastAPI()
oauth2_scheme = OAuth2PasswordBearer(tokenUrl="token")


class Token(BaseModel):
    access_token: str
    token_type: str


class TokenData(BaseModel):
    username: Optional[str] = None


def create_access_token(data: dict, expires_delta: Optional[timedelta] = None):
    to_encode = data.copy()
    if expires_delta:
        expire = datetime.utcnow() + expires_delta
    else:
        expire = datetime.utcnow() + timedelta(minutes=15)
    to_encode.update({"exp": expire})
    return jwt.encode(to_encode, SECRET_KEY, algorithm=ALGORITHM)


async def get_current_user(token: str = Depends(oauth2_scheme)):
    credentials_exception = HTTPException(
        status_code=status.HTTP_401_UNAUTHORIZED,
        detail="Could not validate credentials",
        headers={"WWW-Authenticate": "Bearer"},
    )
    try:
        payload = jwt.decode(token, SECRET_KEY, algorithms=[ALGORITHM])
        username: str = payload.get("sub")
        if username is None:
            raise credentials_exception
        token_data = TokenData(username=username)
    except JWTError as e:
        error_type = "expired" if isinstance(e, jwt.ExpiredSignatureError) else "invalid"
        raise HTTPException(
            status_code=401,
            detail=f"Token validation failed: {error_type}",
            headers={"X-Error-Type": error_type}
        ) from e
    return token_data


@app.post("/token")
async def login_for_access_token():
    access_token_expires = timedelta(minutes=ACCESS_TOKEN_EXPIRE_MINUTES)
    access_token = create_access_token(
        data={"sub": "fakeuser"}, expires_delta=access_token_expires
    )
    return {"access_token": access_token, "token_type": "bearer"}


@app.get("/protected/")
async def read_protected_route(current_user: TokenData = Depends(get_current_user)):
    return {"message": "Secure content accessed"}

课后Quiz

当JWT令牌的签名被篡改时，应该返回什么HTTP状态码？
A) 400
B) 401
C) 403
D) 500
答案：B
解析：签名篡改属于凭证验证失败，应返回401 Unauthorized。403用于已认证用户权限不足的情况。
如何判断JWT令牌是否过期？
A) 检查签发时间(iat)
B) 比较当前时间与exp字段
C) 验证签名有效性
D) 解析payload内容
答案：B
解析：exp字段存储的是UTC时间戳，解码后与当前时间比较即可判断是否过期

常见报错解决方案

报错1：jose.exceptions.JWTDecodeError: Signature verification failed
原因：令牌签名与服务器密钥不匹配
解决步骤：

检查SECRET_KEY配置是否一致
验证请求头Authorization格式是否正确
确认令牌未经过篡改

报错2：HTTP 401 Unauthorized - Token expired
原因：访问时令牌已超过exp时间
解决方案：

引导用户重新登录获取新令牌
实现令牌刷新接口
前端应自动处理令牌刷新流程

预防建议：

令牌有效期不宜过长（建议access_token 15-30分钟）
使用https防止令牌泄露
服务端密钥应通过环境变量注入，禁止硬编码

（全文完）

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FastAPI安全异常处理：从401到422的奇妙冒险