Springboot 3.x中的混淆字體驗證碼解析與實戰
這個專題深入淺出地探討了各類驗證碼的生成和在Springboot3.x中的實踐，從基礎的滑動、點選、算術運算驗證碼到創新的藝術風格、水印、二維碼驗證碼，適合所有Java開發者閱讀。在這個專題中，不僅可以學習到技術實踐，更能領略到驗證碼的美學魅力。讓我們一起探索驗證碼的無盡可能性。
什么是混淆字體驗證碼
混淆字體驗證碼，又叫做CAPTCHA（Completely Automated Public Turing test to tell Computers and Humans Apart），字面意思是“完全自動化的區分計算機和人類的公開圖靈測試”。它是一種設計精巧的安全防護機制，穿越在用戶與服務之間，阻擋各種自動化的惡意攻擊與批量注冊等行為。
混淆字體驗證碼會生成一組混淆的字符集，并以圖像的形式呈現給，比如我們在各種服務網站上常見的一種驗證碼形式：形如扭曲的、幾何圖形重疊的、包含線條與噪點干擾的一組字符。
這種技術的基本出發點是利用人類視覺識別在復雜環境下的優勢——即，人眼可以通過復雜的混淆環境識別出主要字符，而機器的OCR技術在這方面可能表現得并不足夠強大。因此，混淆字體驗證碼可以有效的避免惡意的自動化程序，只允許真實用戶通過驗證得到服務。
混淆字體驗證碼的設計可以非常靈活和富有創造性。為了提高驗證碼的安全等級，驗證碼背景的色彩空間、字符的形狀、大小、顏色、布局甚至投影、傾斜角度等都可以成為設計的元素。同時，也會在別的方面判斷用戶的輸入，比如輸入時間的長短、輸入錯誤的次數等等。
混淆字體驗證碼的運行機制
混淆字體驗證碼的運行機制主要包含四個環節：驗證碼生成、驗證碼渲染、驗證碼展示和驗證碼驗證。
第一步：驗證碼生成。 這是驗證碼運行機制的第一步，系統會生成一串隨機的字符串或數字。這串字符的長度和組合方式都可能因應用場景的安全需求而有所不同。有的系統為了增加驗證碼的復雜程度，可能還會在生成的驗證碼中混入大小寫字母。
第二步：驗證碼渲染。 生成的隨機字符串會被渲染到一個圖片上。這一步通常采用特殊的字體，并且應用各種圖形特效，比如扭曲、切割、旋轉等，甚至有的還會在背景中加入不同的干擾元素，如線條、點狀、圖形等，以增加其被機器識別的難度。
第三步：驗證碼展示。 渲染好的驗證碼將會被展示給用戶。用戶需要根據展示出的圖像，輸入對應的字符。
第四步：驗證碼驗證。 用戶輸入的字符將會被系統接收并進行驗證。只有當用戶輸入的字符與系統在第一步生成的字符相同時，驗證碼才算驗證通過。如果用戶輸入錯誤，或者超過了規定的輸入時間限制，那么驗證碼就會驗證失敗。
在整個流程中，混淆字體驗證碼利用了復雜的視覺處理能力和模式識別能力，這些都是目前大多數OCR技術難以模仿的。因此，混淆字體驗證碼可以有效的阻止惡意軟件和機器人的自動操作，提高網站的安全性。
技術實現：在Springboot 3.x中如何生成混淆字體驗證碼
com.github.axet 的 kaptcha 是一個方便且強大的驗證碼工具包，可以幫助我們在 Springboot 中生成各種復雜的驗證碼。以下是一段具體的代碼示例，這段代碼將指導你如何使用 kaptcha 生成混淆字體的驗證碼。
請在 pom.xml 中添加相關依賴：
<dependency>
<groupId>com.github.axet</groupId>
<artifactId>kaptcha</artifactId>
<version>0.0.9</version>
</dependency>創建驗證碼生成配置：
@Configuration
public class KaptchaConfig {
@Bean
public Producer kaptchaProducer(){
Properties properties = new Properties();
properties.put("kaptcha.textproducer.font.names", "宋體,楷體,微軟雅黑"); // 使用何種字體進行圖片的驗證碼
properties.put("kaptcha.textproducer.char.string", "0123456789QAZXSWEDCVFRTGBNHYUJMKLIOPasdfghjklzxcvbnmqwertyuiop"); // 圖片驗證碼中包含的字符
properties.put("kaptcha.textproducer.char.length", "4"); // 圖片驗證碼的字符數量
properties.put("kaptcha.textproducer.font.size", "28"); // 圖片驗證碼的字符大小
Config config = new Config(properties);
DefaultKaptcha defaultKaptcha = new DefaultKaptcha();
defaultKaptcha.setConfig(config);
return defaultKaptcha;
}
}創建驗證碼接口：
@RestController
public class KaptchaController {
@Autowired
private Producer kaptchaProducer;
@GetMapping("/getKaptcha")
public void getKaptcha(HttpServletResponse response) throws IOException {
// 生成驗證碼并設置到 session 中
String text = kaptchaProducer.createText();
HttpSession session = request.getSession();
// 這里把真實驗證碼存儲到 session 中，以備后續驗證使用
session.setAttribute("kaptcha", text);
try(InputStream in = new ByteArrayInputStream(kaptchaProducer.createImage(text))){
IOUtils.copy(in,response.getOutputStream());
}
}
@PostMapping("/verifyKaptcha")
public ResponseEntity<String> verifyKaptcha(HttpServletRequest request, String userInputCaptcha) {
HttpSession session = request.getSession();
String kaptcha = (String) session.getAttribute("kaptcha");
session.removeAttribute("kaptcha"); //移除session中的驗證碼，保證驗證碼只能被校驗一次
if (kaptcha != null && kaptcha.equals(userInputCaptcha)) {
return new ResponseEntity<>("驗證碼正確", HttpStatus.OK);
} else {
return new ResponseEntity<>("驗證碼錯誤", HttpStatus.BAD_REQUEST);
}
}
}在以上代碼中，首先創建了一個 kaptchaProducer bean 用于生成驗證碼。然后創建了一個控制器方法 /getKaptcha，當用戶訪問這個 URL 時生成驗證碼并返回給用戶。
在這個方法 verifyKaptcha 中，我們首先從用戶的會話中獲取之前創建的驗證碼，然后與用戶提供的驗證碼進行比較。如果兩者相符，那么我們返回一個“驗證碼正確”的響應；如果它們不匹配或者會話中沒有驗證碼，那么我們返回一個“驗證碼錯誤”的錯誤消息。
實戰應用：混淆字體驗證碼的應用示例
混淆字體驗證碼通常應用在防止惡意的機器人行為或者自動化的網絡攻擊中，例如在登陸、注冊、提交敏感信息等場景下。以下為你提供一些實戰應用示例。
1. 登錄頁面
在很多的登錄頁面，我們會看到一個需要用戶解讀并輸入的圖像驗證碼。這個圖像驗證碼通常會盡量的設計為機器難以識別，但人類可以快速解讀的樣子。例如，我們可以設置一組隨機字符，通過動態改變字符間的距離，字符大小、字符方向，或者在字符上添加隨機噪點、線條等方式，增加機器人的識別難度。這樣，即使有人試圖用惡意的程序來進行對抗，他也會因為解析這個驗證碼的困難而無法繼續。
2. 注冊頁面
在用戶提交注冊信息時，我們也會設計一個復雜的驗證碼驗證機制，增加惡意注冊的成本。比如，我們可以采用多種字體和顏色進行混淆，并引入復雜的背景圖像作為噪音，這需要用戶更細致的注意力來解讀，對機器而言，幾乎無法識別。
3. 敏感操作
在進行些敏感操作時，例如重要信息的修改、刪除等，我們也會用到驗證碼。同時，驗證碼系統還需要有一個過期機制，超過一定時間沒有輸入驗證碼的，驗證碼自動失效，用戶需重新獲取。
所有這些都強調了一個核心思想，就是確保只有實際的用戶才能進行一些特定的操作，而不是由機器自動完成。
本文為大家深入介紹了如何在 Springboot 3.x 中使用 com.github.axet 的 kaptcha 包生成混淆字體驗證碼，并驗證用戶輸入的驗證碼。在實現過程中，我們首先在 pom.xml 中添加了 kaptcha 的依賴，然后創建了驗證碼生成的配置和接口。最后，我們在 KaptchaController類中實現了驗證碼的驗證方法。實戰應用部分，我們探討了混淆字體驗證碼在登錄、注冊和敏感操作等場景的應用。總的來說，混淆字體驗證碼是一個非常有效的工具，以保護我們的應用免受自動化網絡攻擊。
