基于JWT的身份认证学习笔记

JSON Web Token（缩写JWT）是目前最流行的跨域认证解决方案。

一、跨域认证的问题

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 sessionid 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。

二、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。

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。

三、JWT 的数据结构

实际的JWT大概就像下面这样。

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。

3.1 Header

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

上面代码中，a1g属性表示签名的算法（algorithm），默认是HMACSHA256
（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。

3.2 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（JWTID）：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。

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。

3.3 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HMACSHA256），按照下面的公式产生签名。

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。

3.4 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、+替换成一，/替换成_。这就是Base64URL 算法。

四、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。

另一种做法是，跨域的时候，JWT就放在POST请求的数据体里面。

五、JWT的几个特点

（1）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。
（2）JWT不加密的情况下，不能将秘密数据写入JWT。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
（6）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。

六、JWT 的解决方案

https://jwt.io/

七、在 Node.js 中使用 JWT

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

参考链接
https://www.ruanyifeng.com/blog/2018/07/json_web_token-tutorial.html
https://jwt.io/
https://tools.ietf.org/html/rfc7519
https://www.cnkirito.moe/jwt-learn-3/