掌握基于 JWT 实现的 Token 身份认证

Posted 2021-03-01 jiftle

引语

最近正好在独立开发一个后台管理系统，涉及到了基于Token的身份认证，自己边学边用边做整理和总结，对基于JWT实现的Token的身份认证做一次相对比较全面的认识。
一、基于session的跨域身份验证

Internet服务无法与用户身份验证分开。一般过程如下。

用户向服务器发送用户名和密码。
验证服务器后，相关数据（如用户角色，登录时间等）将保存在当前会话中。
服务器向用户返回session_id，session信息都会写入到用户的Cookie。
用户的每个后续请求都将通过在Cookie中取出session_id传给服务器。
服务器收到session_id并对比之前保存的数据，确认用户的身份。

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这种模式最大的问题是，没有分布式架构，无法支持横向扩展。如果使用一个服务器，该模式完全没有问题。但是，如果它是服务器群集或面向服务的跨域体系结构的话，则需要一个统一的session数据库库来保存会话数据实现共享，这样负载均衡下的每个服务器才可以正确的验证用户身份。
例如虫虫举一个实际中常见的单点登陆的需求：站点A和站点B提供同一公司的相关服务。现在要求用户只需要登录其中一个网站，然后它就会自动登录到另一个网站。怎么做？

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一种解决方案是听过持久化session数据，写入数据库或文件持久层等。收到请求后，验证服务从持久层请求数据。该解决方案的优点在于架构清晰，而缺点是架构修改比较费劲，整个服务的验证逻辑层都需要重写，工作量相对较大。而且由于依赖于持久层的数据库或者问题系统，会有单点风险，如果持久层失败，整个认证体系都会挂掉。

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总结基于服务器验证方式暴露的一些明显的问题：

Session：每次认证用户发起请求时，服务器需要去创建一个记录来存储信息。当越来越多的用户发请求时，内存的开销也会不断增加。
可扩展性：在服务端的内存中使用Seesion存储登录信息，伴随而来的是可扩展性问题。
CORS(跨域资源共享)：当我们需要让数据跨多台移动设备上使用时，跨域资源的共享会是一个让人头疼的问题。在使用Ajax抓取另一个域的资源，就可以会出现禁止请求的情况。
CSRF(跨站请求伪造)：用户在访问银行网站时，他们很容易受到跨站请求伪造的攻击，并且能够被利用其访问其他的网站。
在这些问题中，可扩展行是最突出的。因此我们有必要去寻求一种更有行之有效的方法。

基于Token认证的身份认证方案

那么有什么更好的方案吗？当然有，那就是基于Token的身份认证方案。

那么基于Token的身份验证可以解决哪些问题呢？

Token 完全由应用管理，所以它可以避开同源策略
Token 可以避免 CSRF 攻击
Token 可以是无状态的，可以在多个服务间共享

基于Token认证的原理

Token 是在服务端产生的，是无状态的，我们不将用户信息存在服务器或Session中。如果客户端使用用户名/密码向服务端请求认证，服务端认证成功，那么在服务端会返回 Token 给客户端。

客户端可以在每次请求的时候带上 Token 证明自己的合法地位。如果这个 Token 在服务端持久化（比如存入数据库），那它就是一个永久的身份令牌。基于Token的身份验证这种概念解决了在服务端存储信息时的许多问题。NoSession意味着你的程序可以根据需要去增减机器，而不用去担心用户是否登录。

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基于Token的身份验证的方案过程如下:

用户通过用户名和密码发送请求。
服务端验证。
服务端返回一个签名的token 给客户端。
客户端储存token,并且每次发送请求都会携带token。
服务端验证token并返回数据。

Token的优势
无状态、可扩展

在客户端存储的Tokens是无状态的，并且能够被扩展。基于这种无状态和不存储Session信息，负载负载均衡器能够将用户信息从一个服务传到其他服务器上。
安全性

请求中发送token而不再是发送cookie能够防止CSRF(跨站请求伪造)。即使在客户端使用cookie存储token，cookie也仅仅是一个存储机制而不是用于认证。不将信息存储在Session中，让我们少了对session操作。
Token是有时效的，一段时间之后用户需要重新验证。我们也不一定需要等到token自动失效，token有撤回的操作，通过token revocataion可以使一个特定的token或是一组有相同认证的token无效。
可扩展性

Tokens能够创建与其它程序共享权限的程序。例如，能将一个随便的社交帐号和自己的大号(Fackbook或是Twitter)联系起来。当通过服务登录Twitter(我们将这个过程Buffer)时，我们可以将这些Buffer附到Twitter的数据流上(we are allowing Buffer to post to our Twitter stream)。

使用tokens时，可以提供可选的权限给第三方应用程序。当用户想让另一个应用程序访问它们的数据，我们可以通过建立自己的API，得出特殊权限的tokens。
多平台跨域

我们提前先来谈论一下CORS(跨域资源共享)，对应用程序和服务进行扩展的时候，需要介入各种各种的设备和应用程序。
Having our API just serve data, we can also make the design choice to serve assets from a CDN. This eliminates the issues that CORS brings up after we set a quick header configuration for our application.
只要用户有一个通过了验证的token，数据和资源就能够在任何域上被请求到。
基于标准

创建token的时候，你可以设定一些选项。我们在后续的文章中会进行更加详尽的描述，但是标准的用法会在JSON Web Tokens体现。
最近的程序和文档是供给JSON Web Tokens的。它支持众多的语言。这意味在未来的使用中你可以真正的转换你的认证机制。
无状态 Token

如果我们把所有状态信息都附加在 Token 上，服务器就可以不保存。但是服务端仍然需要认证 Token 有效。不过只要服务端能确认是自己签发的 Token，而且其信息未被改动过，那就可以认为 Token 有效——“签名”可以作此保证。平时常说的签名都存在一方签发，另一方验证的情况，所以要使用非对称加密算法。但是在这里，签发和验证都是同一方，所以对称加密算法就能达到要求，而对称算法比非对称算法要快得多（可达数十倍差距）。更进一步思考，对称加密算法除了加密，还带有还原加密内容的功能，而这一功能在对 Token 签名时并无必要——既然不需要解密，摘要（散列）算法就会更快。可以指定密码的散列算法，自然是 HMAC。

上面说了这么多，还需要自己去实现吗？不用！ JWT 已经定义了详细的规范，而且有各种语言的若干实现。

在使用无状态 Token 的时候，有两点需要注意：

Refresh Token 有效时间较长，所以它应该在服务器端有状态，以增强安全性，确保用户注销时可控
应该考虑使用二次认证来增强敏感操作的安全性

基于JWT实现的Token认证方案
JSON Web Token是什么？

JSON Web Token（JWT）是目前最流行的跨域身份验证解决方案。

JSON Web Token（JWT）是一个开放标准（RFC 7519），它定义了一种紧凑且自包含的方式，用于在各方之间作为JSON对象安全地传输信息。由于此信息是经过数字签名的，因此可以被验证和信任。可以使用秘密（使用HMAC算法）或使用RSA或ECDSA的公用/专用密钥对对JWT进行签名。

JWT架构：

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什么时候应该使用 JSON Web Token？
身份验证

这是使用JWT的最常见方案。一旦用户登录，每个后续请求将包括JWT，从而允许用户访问该令牌允许的路由，服务和资源。
单一登录是当今广泛使用JWT的一项功能，因为它的开销很小并且可以在不同的域中轻松使用。
信息交换

JSON Web令牌是在各方之间安全地传输信息的一种好方法。因为可以对JWT进行签名（例如，使用公钥/私钥对），所以您可以确定发件人是本人。
另外，由于签名是使用标头和有效负载计算的，因此您还可以验证内容是否未被篡改。
JSON Web Token 结构

JSON Web令牌以紧凑的形式由三部分组成，这些部分由点 （. ）分隔，分别是：

Header：标头
Payload： 有效载荷
Signature： 签名

因此，JWT通常如下所示

xxxxx.yyyyy.zzzzz

Header：标头

让我们分解不同的部分。
标头通常由两部分组成：令牌的类型（即JWT）和所使用的签名算法，例如HMAC SHA256或RSA。
例如：

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

然后，此JSON被Base64Url编码以形成JWT的第一部分。
Payload： 有效载荷

令牌的第二部分是包含声明的有效负载。声明是关于实体（通常是用户）和其他数据的声明。有三种类型的声明：已注册声明、公共声明和私有声明。
已注册的声明：这些是一组预定义的声明，它们不是强制的，而是推荐的，以提供一组有用的、可互操作的声明。主要有：

iss：发行人
exp：到期时间
sub：主题
aud：用户
nbf：在此之前不可用
Iat：发布时间
jti：JWT ID用于标识该JWT

请注意，声明名称仅是三个字符，因为JWT是紧凑的。

公共声明：这些声明可以由使用JWTs的用户随意定义。但是，为了避免冲突，应该在IANA JSON Web令牌注册表中定义它们，或者将它们定义为包含防冲突命名空间的URI。

私有声明：这些是为在同意使用它们的各方之间共享信息而创建的自定义索赔，既不是注册索赔，也不是公开索赔。

有效负载示例可以是：

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

对有效负载进行Base64Url编码，以形成JSON Web令牌的第二部分。

请注意，对于已签名的令牌，此信息尽管可以防止篡改，但任何人都可以读取。除非将其加密，否则请勿将机密信息放入JWT的有效负载或报头元素中。

签名

要创建签名部分，您必须获取编码的头、编码的负载、密钥、头中指定的算法，并对其进行签名。
例如，如果要使用HMAC SHA256算法，则将通过以下方式创建签名：

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

签名用于验证消息在整个过程中没有更改，并且对于使用私钥进行签名的令牌，它还可以验证JWT的发送者是它所说的真实身份。
整合在一起

输出是三个由点分隔的Base64 URL字符串，这些点可以在html和HTTP环境中轻松传递，同时与基于XML的标准（如SAML）相比更加紧凑。
下面显示了一个JWT，它对前一个报头和有效负载进行了编码，并用一个秘密进行了签名。

encoded-jwt3.png

可以从此图中看出JWT生成的令牌的格式与其对应饿原文之间的关联。这里也顺带推荐一下jwt官网的JWT debuger工具。

legacy-app-auth-5.png
JSON Web Token工作原理

在身份验证中，当用户使用其凭据成功登录时，将返回一个JSON Web Token。由于Token是凭据，必须非常小心地防止安全问题。一般来说，您不应该将令牌保留的时间超过所需的时间。

由于缺乏安全性，也不应将敏感会话数据存储在浏览器存储中。

当用户想要访问受保护的路由或资源时，用户代理应该发送JWT，通常在授权头中使用承载模式。标题的内容应如下所示：

Authorization: Bearer

在某些情况下，这可以是无状态授权机制。服务器的受保护路由将检查授权头中是否存在有效的JWT，如果存在，则允许用户访问受保护的资源。如果JWT包含必要的数据，则可以减少查询数据库以执行某些操作的需要，尽管情况并非总是如此。

如果令牌在授权头中发送，则跨源资源共享（CORS）不会成为问题，因为它不使用cookies。

下图显示了如何获取JWT并将其用于访问API或资源：

17.png

应用程序或客户端向授权服务器请求授权。这是通过不同的授权流之一执行的。例如，典型的符合OpenID Connect的web应用程序将使用授权代码流通过/oauth/authorize端点。
当授权被授予时，授权服务器将向应用程序返回一个访问Token。
应用程序使用访问令牌访问受保护的资源（如API）。

请注意：使用签名的Token，Token中包含的所有信息都将向用户或其他方公开，即使他们无法更改它。这意味着您不应将机密信息放入Token中。
JWT的使用
生成令牌

jwt.sign(payload, secretOrPrivateKey, [options, callback])
// paylod: 有效载荷
// secretOrPrivateKey: 加密密钥或私钥
// option(可选): 生成令牌设置
// callback(可选): 回调函数

其中option可配置属性，属性均为可选：

algorithm: 算法(默认: HS256)

noTimestamp: 无时间戳

header: 头部

keyid: 键值编号

mutatePayload: 是否对payload进行转化，若为true则会用payload初始值生成令牌

以下6相即可在payload中配置也可在option中配置，注意只可在一处出现。

expiresIn: 令牌过期时间（可为数字（单位秒）或带单位的字符串，例如 60, "2 days", "10h", "7d"等）

notBefore: 在此之前不可用（格式如上述expiresIn）

audience: 用户

issuer: 发布者

jwtid: 令牌id

subject: 主题

生成令牌实例

// 异步回调方式
Let privateKey = ‘Cloudy‘
jwt.sign({ id: ‘1‘, exp:‘7d‘ }, privateKey, { algorithm: ‘RS256‘ }, function(err, token) {
console.log(token);
});

// 同步方式（推荐用promise对其进行进一步封装）
let token = jwt.sign({ foo: ‘bar‘ }, privateKey, { algorithm: ‘RS256‘, expiresIn: ‘1h‘ });

令牌验证

jwt.verify(token, secretOrPublicKey, [options, callback])
// token: 令牌
// secretOrPublicKey: 密钥或公钥
// option: 生成令牌设置(可选）
// callback: 回调函数（可选）

其中option可配置属性有：

algorithms: 算法

audience: 如果你想验证用户，为其提供一个字符串或正则表达式

complete: Boolean值，若为true则完整输出令牌

issuer(可选): 如果你想验证发布者，为其提供一个字符串或正则表达式

ignoreExpiration: Boolean值，若为true则不会验证过期时间

subject: 如果你想验证主题，为其提供一个字符串或正则表达式

clockTolerance: 时钟容忍，在检查nbf和exp声明时，处理不同服务器之间的小时钟差异所允许的秒数

maxAge: 允许令牌的最大允许年龄仍然有效。它以秒或描述时间跨度zeit/ms的字符串表示。Eg: 1000, "2 days", "10h", "7d".

clockTimestamp: 时间戳，应用作所有必要比较的当前时间（秒）。

nonce：如果要检查nonce声明，请在此处提供一个字符串值。

验证令牌实例

// 同步验证（对称加密算法）
var decoded = jwt.verify(token, ‘shhhhh‘);
console.log(decoded.foo) // bar

// 异步验证用户（使用不对称加密算法）
var cert = fs.readFileSync(‘public.pem‘); // 获取公钥
jwt.verify(token, cert, { audience: ‘urn:foo‘, jwtid: ‘jwtid‘, subject: ‘subject‘ }, function(err, decoded) {
// if audience mismatch, err == invalid audience
});

简单解码（无验证）

（同步）返回解码的有效负载，而不验证签名是否有效。

jwt.decode(token [, options])

解码options可配置属性:

json 在负载上强制JSON.parse，即使头不包含“typ”：“JWT”。
complete 返回一个带有解码有效负载和头的对象。

支持的算法数组。目前支持以下算法。
alg Parameter Value Digital Signature or MAC Algorithm
HS256 HMAC using SHA-256 hash algorithm
HS384 HMAC using SHA-384 hash algorithm
HS512 HMAC using SHA-512 hash algorithm
RS256 RSASSA-PKCS1-v1_5 using SHA-256 hash algorithm
RS384 RSASSA-PKCS1-v1_5 using SHA-384 hash algorithm
RS512 RSASSA-PKCS1-v1_5 using SHA-512 hash algorithm
PS256 RSASSA-PSS using SHA-256 hash algorithm (only node ^6.12.0 OR >=8.0.0)
PS384 RSASSA-PSS using SHA-384 hash algorithm (only node ^6.12.0 OR >=8.0.0)
PS512 RSASSA-PSS using SHA-512 hash algorithm (only node ^6.12.0 OR >=8.0.0)
ES256 ECDSA using P-256 curve and SHA-256 hash algorithm
ES384 ECDSA using P-384 curve and SHA-384 hash algorithm
ES512 ECDSA using P-521 curve and SHA-512 hash algorithm
none No digital signature or MAC value included
JWT问题和趋势

1、JWT默认不加密，但可以加密。生成原始令牌后，可以使用改令牌再次对其进行加密。
2、当JWT未加密方法是，一些私密数据无法通过JWT传输。
3、JWT不仅可用于认证，还可用于信息交换。善用JWT有助于减少服务器请求数据库的次数。
4、JWT的最大缺点是服务器不保存会话状态，所以在使用期间不可能取消令牌或更改令牌的权限。也就是说，一旦JWT签发，在有效期内将会一直有效。
5、JWT本身包含认证信息，因此一旦信息泄露，任何人都可以获得令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT的有效期不宜设置太长。对于某些重要操作，用户在使用时应该每次都进行进行身份验证。
6、为了减少盗用和窃取，JWT不建议使用HTTP协议来传输代码，而是使用加密的HTTPS协议进行传输。
结语

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参考:
node-jsonwebtoken
Introduction to JSON Web Tokens
Token 认证的来龙去脉
彻底理解cookie，session，token
前后端分离使用 Token 登录解决方案
基于JWT的token身份认证方案

https://segmentfault.com/a/1190000021224288