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。

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。

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 <token>

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：

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。