Web身份认证 --- JWT Token

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分类专栏： # Web后端开发文章标签：前端

于 2024-12-16 16:20:36 首次发布

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Web 身份认证 --- JWT Token

什么是JWT

JWT，全称为JSON Web Token，是一种开放标准（RFC 7519），用于在网络应用环境间安全地传输信息。
它本质上是一个经过数字签名的JSON对象，能够携带并传递状态信息（如用户身份验证、授权等）
JWT由 Header + Payload + Signature三部分组成, 并经过Base64Url编码之后使用 (注意编码不是加密)
注意在token机制中不一定非要使用JWT，任何包含认证信息的token都可以，只不过目前唯一流行的是JWT

Header

JWT 的头部通常由两部分组成，分别是令牌类型（typ）和加密算法（alg）。一般情况下，头部会采用 Base64 编码。

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

Payload

JWT 的载荷也称为声明信息，包含了一些有关实体（通常是用户）的信息以及其他元数据。通常包括以下几种声明：
Registered Claims：这些声明是预定义的，包括 iss（发行者）、sub（主题）、aud（受众）、exp（过期时间）、nbf（生效时间）、iat（发布时间）和 jti（JWT ID）等。
Public Claims：这些声明可以自定义，但需要注意避免与注册声明的名称冲突。
Private Claims：这些声明是保留给特定的应用程序使用的，不会与其他应用程序冲突。
注意：Payload中一定不要存放敏感或重要信息，如密码等

{
  "sub": "666666",
  "name": "warriors",
  "admin": true
}

Signature

JWT 的签名是由头部、载荷和密钥共同生成的。它用于验证 JWT 的真实性和完整性。一般情况下，签名也会采用 Base64 编码。
例如，如果要使用 HMAC SHA256 算法，将按以下方式创建签名:

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

JWT完整流程

假设你现在有一个应用，需要用户登录后获取访问权限。

用户登录

用户在登录页面输入用户名和密码，点击登录。服务器接收到登录请求并验证用户的凭证。

生成JWT

如果用户的凭证(账号密码)正确，服务器将生成一个JWT。假如服务器将生成的JWT为:
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c
让我们详细分解这个JWT的生成过程，一共三个部分，每个部分被点号（.）截断

Header: eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9

base64url解码一下得到

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

这个头部表示我们将使用HMAC SHA-256算法进行签名，并且这是一个JWT。

Payload: eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ

base64url解码一下得到

{
	"sub": "1234567890",
	"name": "John Doe",
	"iat": 1516239022
}

这个负载部分包含了一些声明，比如用户ID（sub）、用户名（name）和签发时间。

Signature: SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

第三部分签名的生成是由第一部分和第二部分组成的
我们使用密钥（secret）来生成签名。签名是使用以下方法生成的：
将编码后的Header和Payload用点号（.）连接在一起：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ

使用HMAC SHA-256算法和密钥secret对上述字符串进行签名：

header_payload = "eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ"
secret = "secret"
signature = hmac.new(secret.encode(), header_payload.encode(), hashlib.sha256).digest()
signature_base64 = base64.urlsafe_b64encode(signature).rstrip(b'=').decode()
print(signature_base64)

生成的第三部分签名是：SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

最后，将编码后的Header、Payload和生成的Signature用点号（.）连接在一起，形成完整的JWT:eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

返回JWT

服务器将生成的JWT返回给客户端。客户端可以将JWT存储在本地存储（Local Storage）或Cookie中。

携带JWT进行请求

在用户登录后的每次请求中，客户端会在请求头中携带JWT，例如：
Authorization: Bearer eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

服务器验证JWT

服务器接收到请求后，会验证JWT的签名是否正确。验证过程如下：
从JWT中提取出header和payload部分。
使用同样的签名密钥和header中的算法，重新生成签名。
将重新生成的签名与JWT中的签名进行比较，如果相同，则验证通过。

响应请求

如果JWT有效且未过期，服务器处理请求并返回响应。

JWT攻防

常见攻击方法

暴力破解签名密钥：攻击者可以使用暴力破解的方法猜测JWT的签名密钥。如果签名密钥比较弱，这种攻击可能会成功。
算法替换攻击：如果服务器在验证JWT时不严格检查头部的alg字段，攻击者可以将alg字段改为none，绕过签名验证。
伪造Token：如果服务器使用对称加密算法（如HS256），并且密钥泄露，攻击者可以使用密钥伪造有效的JWT

防御措施

使用强密钥：确保签名密钥足够强，难以被暴力破解。
严格验证算法：在服务器端严格验证alg字段，拒绝none算法。
使用非对称加密：使用非对称加密算法（如RS256），即使公钥泄露，攻击者也无法伪造JWT。
定期更换密钥：定期更换签名密钥以增加安全性。
设置适当的过期时间：设置合理的JWT过期时间，减少被盗用的风险。

JWT 如何退出登录

JWT一旦发出，不能撤回，所以在有效期内会一直有效，常见退出方法有三种

Simply remove the token from the client
Create a token blacklist
Just keep token expiry times short and rotate them often

JWT的续签

JWT在使用中一般遵循OAuth2.0的标准，OAuth2.0中的续签通常使用“双令牌（access_token, refresh_token) 续签”

注意 access_token和refresh_token是OAuth2规范的内容，不是jwt规范的部分

访问令牌（Access Token）

用途：访问令牌是一个短期的令牌，用于授权第三方应用访问受保护的资源。每次访问受保护的资源时，第三方应用需要在请求头中携带这个令牌。
有效期：访问令牌通常有一个较短的有效期，可能是几分钟到几小时不等。这是为了减少令牌被盗用的风险。
格式：访问令牌通常是一个字符串，可以是 JWT（JSON Web Token）格式，也可以是其它格式。

刷新令牌（Refresh Token）

用途：刷新令牌用于获取新的访问令牌。当访问令牌过期时，客户端可以使用刷新令牌向授权服务器请求新的访问令牌，而不需要再次通过用户的授权。
有效期：刷新令牌的有效期通常比访问令牌长得多，可以是几天、几周甚至更长时间。
安全性：由于刷新令牌的有效期较长，应该妥善保护，避免泄露。一般来说，刷新令牌不应该在前端应用中存储，而应存储在服务器端

为什么需要两个token

首先确认一点： token使用的次数越多被窃取概率越大，过期时间越长也就越危险

一个token的续签方法：假设现在只有一个access token，因为使用次数很多(每次Api调用都会用到)并且token无法被设置为失效, 所以access token的过期时间需要被设置的很短，这样即使被token盗，损失也可以降到最低.

方法一： token过期之后，用户重新输入账号密码拿到新的access token.

缺点：因为access token过期时间很短，用户需要频繁输入账号密码，很影响使用.

方法二：当服务器收到请求之后，计算token剩余有效时间，如果小于一个阈值，则颁发新access token.

缺点：如果用户在阈值之内没有进行api调用，则还是需要重新输入账号和密码，影响使用
缺点：如果access被盗用，则盗用者还是可以通过被盗用的access token进行续签，拿到新的token.

使用两个token续签:

OAuth2定义了资源服务器和授权服务器，第一次认证向授权服务器提交用户名和密码获得两个token，然后访问资源服务器获取资源使用access_token
当access_token有效期失效的时候，前端使用这个refresh_token请求授权服务器换取新的acceess_token来保证接口的正常请求, 这样可以做到用户无感知续签

这样即使access token被盗用，access token的过期时间设置的很短，损失也可以降到最低.
而refresh token使用次数少，保存在数据库中，被盗风险小