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基于 JWT 的身份认证

互联网服务离不开用户认证。一般流程是下面这样

  1. 用户向服务器发送用户名和密码
  2. 服务器验证通过后，在当前对话（session）里面保存相关数据，比如用户角色、登录时间等等
  3. 服务器向用户返回一个 session_id，写入用户的 Cookie
  4. 用户随后的每一次请求，都会通过 Cookie，将 session_id 传回服务器
  5. 服务器收到 session_id，找到前期保存的数据，由此得知用户的身份

这种模式的问题在于，扩展性（scaling）不好。单机当然没有问题，如果是服务器集群，或者是跨域的服务导向架构，就要求 session 数据共享，每台服务器都能够读取 session

举例来说，A 网站和 B 网站是同一家公司的关联服务。现在要求，用户只要在其中一个网站登录，再访问另一个网站就会自动登录，请问怎么实现？

一种解决方案是 session 数据持久化，写入数据库或别的持久层。各种服务收到请求后，都向持久层请求数据。这种方案的优点是架构清晰，缺点是工程量比较大。另外，持久层万一挂了，就会单点失败

另一种方案是服务器索性不保存 session 数据了，所有数据都保存在客户端，每次请求都发回服务器。JWT 就是这种方案的一个代表

JWT 原理

JWT 的原理是，服务器认证以后，生成一个 JSON 对象，发回给用户，就像下面这样

json
{
  "姓名": "张三",
  "角色": "管理员",
  "到期时间": "2018年7月1日0点0分"
}

以后，用户与服务端通信的时候，都要发回这个 JSON 对象。服务器完全只靠这个对象认定用户身份。为了防止用户篡改数据，服务器在生成这个对象的时候，会加上签名（详见后文）

服务器就不保存任何 session 数据了，也就是说，服务器变成无状态了，从而比较容易实现扩展

JWT 的数据结构

javascript
"token": "eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJ1c2VySWQiOiI2MzE1NmQxZmM4NDhiYjg4OWRkNjUzMDUiLCJpYXQiOjE2NjIzNTE1OTQsImV4cCI6MTY2MjQzNzk5NH0.qglM5Xjz79o62GmENbQnGnXMDAKClJn8kOAYRvRJJuw"

它是一个很长的字符串，中间用点（.）分隔成三个部分。注意，JWT 内部是没有换行的，这里只是为了便于展示，将它写成了几行

JWT 的三个部分依次如下

  • Header（头部）

  • Payload（负载）

  • Signature（签名）

写成一行，就是下面的样子

javascript
Header.Payload.Signature

Header 部分是一个 JSON 对象，描述 JWT 的元数据，通常是下面的样子

json
{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}

上面代码中，alg 属性表示签名的算法（algorithm），默认是 HMAC SHA256（写成 HS256）；typ 属性表示这个令牌（token）的类型（type），JWT 令牌统一写为 JWT

最后，将上面的 JSON 对象使用 Base64URL 算法（详见后文）转成字符串

Payload

Payload 部分也是一个 JSON 对象，用来存放实际需要传递的数据。JWT 规定了 7 个官方字段，供选用

  • iss (issuer)：签发人

  • exp (expiration time)：过期时间

  • sub (subject)：主题

  • aud (audience)：受众

  • nbf (Not Before)：生效时间

  • iat (Issued At)：签发时间

  • jti (JWT ID)：编号

除了官方字段，你还可以在这个部分定义私有字段，下面就是一个例子

json
{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "admin": true
}

注意，JWT 默认是不加密的，任何人都可以读到，所以不要把秘密信息放在这个部分

这个 JSON 对象也要使用 Base64URL 算法转成字符串

Signature

Signature 部分是对前两部分的签名，防止数据篡改

首先，需要指定一个密钥（secret）。这个密钥只有服务器才知道，不能泄露给用户。然后，使用 Header 里面指定的签名算法（默认是 HMAC SHA256），按照下面的公式产生签名

javascript
HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret)

算出签名以后，把 Header、Payload、Signature 三个部分拼成一个字符串，每个部分之间用"点"（.）分隔，就可以返回给用户

在 JWT 中，消息体是透明的，使用签名可以保证消息不被篡改。但不能实现数据加密功能。

Base64URL

前面提到，Header 和 Payload 串型化的算法是 Base64URL。这个算法跟 Base64 算法基本类似，但有一些小的不同

JWT 作为一个令牌（token），有些场合可能会放到 URL（比如 api.example.com/?token=xxx）。Base64 有三个字符+、/和=，在 URL 里面有特殊含义，所以要被替换掉：=被省略、+替换成-，/替换成_ 。这就是 Base64URL 算法。

JWT 的使用方式

客户端收到服务器返回的 JWT，可以储存在 Cookie 里面，也可以储存在 localStorage

此后，客户端每次与服务器通信，都要带上这个 JWT。你可以把它放在 Cookie 里面自动发送，但是这样不能跨域，所以更好的做法是放在 HTTP 请求的头信息 Authorization 字段里面

javascript
Authorization: Bearer <token>

另一种做法是，跨域的时候，JWT 就放在 POST 请求的数据体里面

JWT 的特点

  • JWT 默认是不加密，但也是可以加密的。生成原始 Token 以后，可以用密钥再加密一次

  • JWT 不加密的情况下，不能将秘密数据写入 JWT

  • JWT 不仅可以用于认证，也可以用于交换信息。有效使用 JWT，可以降低服务器查询数据库的次数

  • JWT 的最大缺点是，由于服务器不保存 session 状态，因此无法在使用过程中废止某个 token，或者更改 token 的权限。也就是说，一旦 JWT 签发了，在到期之前就会始终有效，除非服务器部署额外的逻辑

  • JWT 本身包含了认证信息，一旦泄露，任何人都可以获得该令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT 的有效期应该设置得比较短。对于一些比较重要的权限，使用时应该再次对用户进行认证

  • 为了减少盗用，JWT 不应该使用 HTTP 协议明码传输，要使用 HTTPS 协议传输

JWT 的解决方案

https://jwt.io/

在 Node.js 中使用 JWT

推荐：https://github.com/auth0/node-jsonwebtoken