使用NodeJS实现JWT(json web token)原理-json web token

JWT是json web token的简称，本文介绍它的原理，最后后端用nodejs自己实现如何为客户端生成令牌token和校验token

一 .为什么需要会话管理

我们用 nodejs 为前端或者其他服务提供 resful 接口时，http 协议他是一个无状态的协议，有时候我们需要根据这个请求的上下获取具体的用户是否有权限，针对用户的上下文进行操作。所以出现了cookies session还有jwt这几种技术的出现，都是对HTTP协议的一个补充。使得我们可以用HTTP协议+状态管理构建一个的面向用户的WEB应用。

二 .Session 和 cookie

session 和 cookies 是有联系的，session 就是服务端在客户端 cookies 种下的session_id, 服务端保存session_id所对应的当前用户所有的状态信息。每次客户端请求服务端都带上cookies中的session_id, 服务端判断是否有具体的用户信息，如果没有就去调整登录。

cookies安全性不好，攻击者可以通过获取本地cookies进行欺骗或者利用cookies进行CSRF攻击。

cookies在多个域名下，会存在跨域问题

session的信息是保存在服务端上面的，当我们node.js在stke部署多台机器的时候，需要解决共享session，所以引出来session持久化问题，所以session不支持分布式架构，无法支持横向扩展，只能通过数据库来保存会话数据实现共享。如果持久层失败会出现认证失败。

三 .JWT的定义

jwt是json web token的全称，他解决了session以上的问题，优点是服务器不保存任何会话数据，即服务器变为无状态，使其更容易扩展，什么情况下使用jwt比较合适，我觉得就是授权这个场景，因为jwt使用起来轻便，开销小，后端无状态，所以使用比较广泛。

四 .JWT的原理

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。

{ 
 
    "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。

五 .JWT的认证流程

JWT的流程说明：

浏览器发起请求登陆，携带用户名和密码;
服务端根据用户名和明码到数据库验证身份，根据算法，将用户标识符打包生成 token,
服务器返回JWT信息给浏览器，JWT不应该包含敏感信息，这是很重要的一点
浏览器发起请求获取用户资料，把刚刚拿到的 token一起发送给服务器，一般放在header里面，字段为authorization
服务器发现数据中有 token，decode token的信息，然后再次签名，验明正身;
服务器返回该用户的用户资料;
服务器可以在payload设置过期时间，如果过期了，可以让客户端重新发起验证。

六 .JWT的数据结构

JWT 包含了使用.风格的三个部分，包含header（头部）、Payload（荷载）以及 Signature（签名）

Header 头部

{"alg": "HS256","typ": "JWT"} 
// algorithm => HMAC SHA256// type => JWT

这是固定的写法，alg表面要用的是HS256算法

Payload 负载、载荷

JWT 规定了7个官方字段

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

除了这七个，可以自定义，比如过期时间

Signature 签名

对前两部分header和payload进行签名，防止数据篡改

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

secret是一段字符串，后端保存，需要注意的是 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。

七 .jwt使用方式

HTTP 请求的头信息Authorization字段里面, Bearer也是规定好的

Authorization: Bearer <token>

通过url传输（不推荐）

http://www.xxx.com/pwa?token=xxxxx

如果是post请求也可以放在请求体中

八 .在koa项目中使用

可以使用现成库，jwt-simple 或者 jsonwebtoken

let Koa = require('koa'); 
let Router = require('koa-router'); 
let bodyparser = require('koa-bodyparser'); 
let jwt = require('jwt-simple'); 
let router = new Router() 
let app = new Koa(); 
app.use(bodyparser()); 
// 可以自己自定义 
let secret = 'zhenglei'; 
// 验证是否登陆 
router.post('/login',async(ctx)=>{  
    let {username,password} = ctx.request.body; 
    if(username === 'admin' && password === 'admin'){ 
       // 通常会查数据库，这里简单的演示 
       let token =  jwt.encode(username, secret); 
       ctx.body = { 
            code:200, 
            username, 
            token, 
       } 
    } 
}); 
// 验证是否有权限 
router.get('/validate',async(ctx)=>{  
    let Authorization = ctx.get('authorization') 
    let [,token] = Authorization.split(' '); 
    if(token){ 
        try{ 
            let r = jwt.decode(token,secret); 
            ctx.body = { 
                code:200, 
                username:r, 
                token 
            } 
        }catch(e){ 
            ctx.body = { 
                code:401, 
                data:'没有登陆' 
            } 
        } 
    }else{ 
        ctx.body = { 
            code:401, 
            data:'没有登陆' 
        } 
    } 
   
}); 
app.use(router.routes()); 
app.listen(4000);

实现两个接口一个是/login 验证是否登录，一个是 validate,验证是否有权限
请求login接口的时候，客户端带username和password, 后端一般会查数据库，验证是否存在当前用户，如果存在则为username进行签名，千万不要给password这些敏感信息也带进来签名
客户端接收后端给的token令牌，再请求其他接口，比如这个例子的/validate的时候，ajax请求的时候，可以在header指定authorization字段，后端拿到token进行decode，然后将header和payload进行再一次的签名，如果前后的签名一致，说明没有被篡改过，则权限验证通过。因为是同步的过程，所以可以用try catch来捕捉错误

九 .原理的实现

sha256哈希算法，可以用nodejs的内置加密模块crypto, 生成base64字符串，要注意的是生成base64需要为+ - = 做一下替换，=被省略、+替换成-，/替换成_ 。这就是 Base64URL 算法。
token令牌的组成是header, payload和sigin的通过.来组成
base64urlUnescape 的解码是固定写法，decode出base64的内容

let myJwt = { 
    sign(content,secret){ 
        let r = crypto.createHmac('sha256',secret).update(content).digest('base64'); 
        return this.base64urlEscape(r) 
    }, 
    base64urlEscape(str){ 
        return str.replace(/\+/g, '-').replace(/\//g, '_').replace(/=/g, ''); 
    }, 
    toBase64(content){ 
        return this.base64urlEscape(Buffer.from(JSON.stringify(content)).toString('base64')) 
    }, 
    encode(username,secret){ 
        let header = this.toBase64({ typ: 'JWT', alg: 'HS256' }); 
        let content = this.toBase64(username); 
        let sign = this.sign([header,content].join('.'),secret); 
        return  [header,content,sign].join('.') 
    }, 
    base64urlUnescape(str) { 
        str += new Array(5 - str.length % 4).join('='); 
        return str.replace(/\-/g, '+').replace(/_/g, '/'); 
    }, 
    decode(token,secret){ 
        let [header,content,sign] = token.split('.'); 
        let newSign = this.sign([header,content].join('.'),secret); 
        if(sign === newSign){ 
            return Buffer.from(this.base64urlUnescape(content),'base64').toString(); 
        }else{ 
            throw new Error('被篡改') 
        } 
    } 
}

十 .JWT的优缺点

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。
当JWT未加密方法时，一些私密数据无法通过JWT传输。
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。
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
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。
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。