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聊一聊JWT与session

前言

认证和授权,其实吧简单来说就是:认证就是让服务器知道你是谁,授权就是服务器让你知道你什么能干,什么不能干,认证授权俩种方式:Session-Cookie与JWT,下面我们就针对这两种方案就行阐述。

Session

工作原理

当 client通过用户名密码请求server并通过身份认证后,server就会生成身份认证相关的 session 数据,并且保存在内存或者内存数据库。并将对应的 sesssion_id返回给client,client会把保存session_id(可以加密签名下防止篡改)在cookie。此后client的所有请求都会附带该session_id(毕竟默认会把cookie传给server),以确定server是否存在对应的session数据以及检验登录状态以及拥有什么权限,如果通过校验就该干嘛干嘛,否则重新登录。

前端退出的话就清cookie。后端强制前端重新认证的话就清或者修改session。

优势

相比JWT,最大的优势就在于可以主动清除session了

session保存在服务器端,相对较为安全

结合cookie使用,较为灵活,兼容性较好

弊端

cookie + session在跨域场景表现并不好

如果是分布式部署,需要做多机共享session机制,实现方法可将session存储到数据库中或者redis中

基于 cookie 的机制很容易被 CSRF

查询session信息可能会有数据库查询操作

session、cookie、sessionStorage、localstorage的区别

session: 主要存放在服务器端,相对安全

cookie: 可设置有效时间,默认是关闭浏览器后失效,主要存放在客户端,并且不是很安全,可存储大小约为4kb

sessionStorage: 仅在当前会话下有效,关闭页面或浏览器后被清除

localstorage: 除非被清除,否则永久保存

JWT

JSON Web Token(JWT)是一种开放标准(RFC 7519),它定义了一种紧凑且独立的方式,可以将各方之间的信息作为JSON对象进行安全传输。该信息可以验证和信任,因为是经过数字签名的。

JWT基本上由.分隔的三部分组成,分别是头部,有效载荷和签名。 一个简单的JWT的例子,如下所示:

 eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJ1c2VyX2lkIjoiemhhbmdzYW4ifQ.ec7IVPU-ePtbdkb85IRnK4t4nUVvF2bBf8fGhJmEwSs
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如果你细致得去看的话会发现其实这是一个分为 3 段的字符串,段与段之间用 点号 隔开,在 JWT 的概念中,每一段的名称分别为:

Header.Payload.Signature
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在字符串中每一段都是被 base64url 编码后的 JSON,其中 Payload 段可能被加密。

Header

JWT 的 Header 通常包含两个字段,分别是:typ(type) 和 alg(algorithm)。

  • typ:token的类型,这里固定为 JWT

  • alg:使用的 hash 算法,例如:HMAC SHA256 或者 RSA

一个简单的例子:

    {
      "alg": "HS256",
      "typ": "JWT"
    }
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我们对他进行编码后是:

    >>> base64.b64encode(json.dumps({"alg":"HS256","typ":"JWT"}))
    'eyJhbGciOiAiSFMyNTYiLCAidHlwIjogIkpXVCJ9'
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Payload

JWT 中的 Payload 其实就是真实存储我们需要传递的信息的部分,例如正常我们会存储些用户 ID、用户名之类的。此外,还包含一些例如发布人、过期日期等的元数据。

但是,这部分和 Header 部分不一样的地方在于这个地方可以加密,而不是简单得直接进行 BASE64 编码。但是这里我为了解释方便就直接使用 BASE64 编码,需要注意的是,这里的 BASE64 编码稍微有点不一样,切确得说应该是 Base64UrlEncoder,和 Base64 编码的区别在于会忽略最后的 padding(=号),然后 '-' 会被替换成'_'。

举个例子,例如我们的 Payload 是:

 {"user_id":"zhangsan"}
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那么直接 Base64 的话应该是:

    >>> base64.urlsafe_b64encode('{"user_id":"zhangsan"}')
    'eyJ1c2VyX2lkIjoiemhhbmdzYW4ifQ=='
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然后去掉 = 号,最后应该是:

  'eyJ1c2VyX2lkIjoiemhhbmdzYW4ifQ'
复制代码
Signature

Signature 部分其实就是对我们前面的 Header 和 Payload 部分进行签名,保证 Token 在传输的过程中没有被篡改或者损坏,签名的算法也很简单,但是,为了加密,所以除了 Header 和 Payload 之外,还多了一个密钥字段,完整算法为:

    Signature = HMACSHA256(
        base64UrlEncode(header) + "." +
        base64UrlEncode(payload),
        secret)
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还是以前面的例子为例,

    base64UrlEncode(header)  =》 eyJhbGciOiAiSFMyNTYiLCAidHlwIjogIkpXVCJ9
    base64UrlEncode(payload) =》 eyJ1c2VyX2lkIjoiemhhbmdzYW4ifQ
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secret 就设为:"secret", 那最后出来的签名应该是:

    >>> import hmac
    >>> import hashlib
    >>> import base64
    >>> dig = hmac.new('secret',     >>> msg="eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJ1c2VyX2lkIjoiemhhbmdzYW4ifQ", 
               digestmod=
    >>> base64.b64encode(dig.digest())
    'ec7IVPU-ePtbdkb85IRnK4t4nUVvF2bBf8fGhJmEwSs='
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将上面三个部分组装起来就组成了我们的 JWT token了,所以我们的

    {'user_id': 'zhangsan'}
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的 token 就是:

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJ1c2VyX2lkIjoiemhhbmdzYW4ifQ.ec7IVPU-ePtbdkb85IRnK4t4nUVvF2bBf8fGhJmEwSs
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工作原理

1.首先,前端通过Web表单将自己的用户名和密码发送到后端的接口。这一过程一般是一个HTTP POST请求。建议的方式是通过SSL加密的传输(https协议),从而避免敏感信息被嗅探。

2.后端核对用户名和密码成功后,将用户的id等其他信息作为JWT Payload(负载),将其与头部分别进行Base64编码拼接后签名,形成一个JWT。形成的JWT就是一个形同lll.zzz.xxx的字符串。

3.后端将JWT字符串作为登录成功的返回结果返回给前端。前端可以将返回的结果保存在localStorage或sessionStorage上,退出登录时前端删除保存的JWT即可。

4.前端在每次请求时将JWT放入HTTP Header中的Authorization位。(解决XSS和XSRF问题)

5.后端检查是否存在,如存在验证JWT的有效性。例如,检查签名是否正确;检查Token是否过期;检查Token的接收方是否是自己(可选)。

6.验证通过后后端使用JWT中包含的用户信息进行其他逻辑操作,返回相应结果。

JWTs vs. Sessions

可扩展性

随着应用程序的扩大和用户数量的增加,你必将开始水平或垂直扩展。session数据通过文件或数据库存储在服务器的内存中。在水平扩展方案中,你必须开始复制服务器数据,你必须创建一个独立的中央session存储系统,以便所有应用程序服务器都可以访问。否则,由于session存储的缺陷,你将无法扩展应用程序。解决这个挑战的另一种方法是使用 sticky session。你还可以将session存储在磁盘上,使你的应用程序在云环境中轻松扩展。这类解决方法在现代大型应用中并没有真正发挥作用。建立和维护这种分布式系统涉及到深层次的技术知识,并随之产生更高的财务成本。在这种情况下,使用JWT是无缝的;由于基于token的身份验证是无状态的,所以不需要在session中存储用户信息。我们的应用程序可以轻松扩展,因为我们可以使用token从不同的服务器访问资源,而不用担心用户是否真的登录到某台服务器上。你也可以节省成本,因为你不需要专门的服务器来存储session。为什么?因为没有session!

注意:如果你正在构建一个小型应用程序,这个程序完全不需要在多台服务器上扩展,并且不需要RESTful API的,那么session机制是很棒的。 如果你使用专用服务器运行像Redis那样的工具来存储session,那么session也可能会为你完美地运作!

安全性

JWT签名旨在防止在客户端被篡改,但也可以对其进行加密,以确保token携带的claim 非常安全。JWT主要是直接存储在web存储(本地/session存储)或cookies中。 JavaScript可以访问同一个域上的Web存储。这意味着你的JWT可能容易受到XSS(跨站脚本)攻击。恶意JavaScript嵌入在页面上,以读取和破坏Web存储的内容。事实上,很多人主张,由于XSS攻击,一些非常敏感的数据不应该存放在Web存储中。一个非常典型的例子是确保你的JWT不将过于敏感/可信的数据进行编码,例如用户的社会安全号码。

最初,我提到JWT可以存储在cookie中。事实上,JWT在许多情况下被存储为cookie,并且cookies很容易受到CSRF(跨站请求伪造)攻击。预防CSRF攻击的许多方法之一是确保你的cookie只能由你的域访问。作为开发人员,不管是否使用JWT,确保必要的CSRF保护措施到位以避免这些攻击。

现在,JWT和session ID也会暴露于未经防范的重放攻击。建立适合系统的重放防范技术,完全取决于开发者。解决这个问题的一个方法是确保JWT具有短期过期时间。虽然这种技术并不能完全解决问题。然而,解决这个挑战的其他替代方案是将JWT发布到特定的IP地址并使用浏览器指纹。

注意:使用HTTPS / SSL确保你的Cookie和JWT在客户端和服务器传输期间默认加密。这有助于避免中间人攻击!

RESTful API服务

现代应用程序的常见模式是从RESTful API查询使用JSON数据。目前大多数应用程序都有RESTful API供其他开发人员或应用程序使用。由API提供的数据具有几个明显的优点,其中之一就是这些数据可以被多个应用程序使用。在这种情况下,传统的使用session和Cookie的方法在用户认证方面效果不佳,因为它们将状态引入到应用程序中。

RESTful API的原则之一是它应该是无状态的,这意味着当发出请求时,总会返回带有参数的响应,不会产生附加影响。用户的认证状态引入这种附加影响,这破坏了这一原则。保持API无状态,不产生附加影响,意味着维护和调试变得更加容易。

另一个挑战是,由一个服务器提供API,而实际应用程序从另一个服务器调用它的模式是很常见的。为了实现这一点,我们需要启用跨域资源共享(CORS)。Cookie只能用于其发起的域,相对于应用程序,对不同域的API来说,帮助不大。在这种情况下使用JWT进行身份验证可以确保RESTful API是无状态的,你也不用担心API或应用程序由谁提供服务。

性能

对此的批判性分析是非常必要的。当从客户端向服务器发出请求时,如果大量数据在JWT内进行编码,则每个HTTP请求都会产生大量的开销。然而,在会话中,只有少量的开销,因为SESSION ID实际上非常小。看下面这个例子:

JWT有5个claim:

{

  "sub": "1234567890",

  "name": "Prosper Otemuyiwa",

  "admin": true,

  "role": "manager",

  "company": "Auth0"

}
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编码时,JWT的大小将是SESSION ID(标识符)的几倍,从而在每个HTTP请求中,JWT比SESSION ID增加更多的开销。而对于session,每个请求在服务器上需要查找和反序列化session。

JWT通过将数据保留在客户端的方式以空间换时间。你应用程序的数据模型是一个重要的影响因素,因为通过防止对服务器数据库不间断的调用和查询来减少延迟。需要注意的是不要在JWT中存储太多的claim,以避免发生巨大的,过度膨胀的请求。

值得一提的是,token可能需要访问后端的数据库。特别是刷新token的情况。他们可能需要访问授权服务器上的数据库以进行黑名单处理。获取有关刷新token和何时使用它们的更多信息。另外,请查看本文,了解有关黑名单的更多信息(auth0.com/blog/blackl…)。

下游服务

现代web应用程序的另一种常见模式是,它们通常依赖于下游服务。例如,在原始请求被解析之前,对主应用服务器的调用可能会向下游服务器发出请求。这里的问题是,cookie不能很方便地流到下游服务器,也不能告诉这些服务器关于用户的身份验证状态。由于每个服务器都有自己的cookie方案,所以阻力很大,并且连接它们也是困难的。JSON Web Token再次轻而易举地做到了!

实效性

此外,无状态JWT的实效性相比session太差,只有等到过期才可销毁,而session则可手动销毁。

例如有个这种场景,如果JWT中存储有权限相关信息,比如当前角色为 admin,但是由于JWT所有者滥用自身权利,高级管理员将权利滥用者的角色降为 user。但是由于 JWT 无法实时刷新,必需要等到 JWT 过期,强制重新登录时,高级管理员的设置才能生效。

或者是用户发现账号被异地登录,然后修改密码,此时token还未过期,异地的账号一样可以进行操作包括修改密码。

但这种场景也不是没有办法解决,解决办法就是将JWT生成的token存入到redis或者数据库中,当用户登出或作出其他想要让token失效的举动,可通过删除token在数据库或者redis里面的对应关系来解决这个问题。

node中使用JWT

我这个项目中使用的是JWT,使用方法如下:

首先安装JWT库:

npm install jsonwebtoken
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然后创建签名数据,生成token:

let jwt = require('jsonwebtoken');

var token = jwt.sign({ name: '张三' }, 'shhhhh');
console.log(token);
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运行程序可以看到打印出来的内容类似这样:

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYW1lIjoi5byg5LiJIiwiaWF0IjoxNDYyODgxNDM3fQ.uVWC2h0_r1F4FZ3qDLkGN5KoFYbyZrFpRJMONZrJJog
复制代码

之后,对token字符串,可以这样解码:

let decoded=jwt.decode(token);
console.log(decoded);
复制代码

将打印出:

{ name: '张三', iat: 1462881437 }
复制代码

其中iat是时间戳,即签名时的时间(注意:单位是秒)。

不过,一般我们不会使用decode方法,因为它只是简单的对claims部分的做base64解码。

我们需要的是验证claims的内容是否被篡改。

此时我们需要使用verify方法:

let decoded = jwt.verify(token, 'shhhhh');
console.log(decoded);
复制代码

虽然打印出的内容和decode方法是一样的。但是是经过校验的。

我们可以改变校验用的密钥,比如改为shzzzz,使之和加密时的密钥不一致。那么解码就会出现报错:

JsonWebTokenError: invalid signature
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我们也可以偷偷修改token的claims或者header部分,会得到这样的报错:

JsonWebTokenError: invalid token
复制代码

最后,根据自己的需求,决定是否需要将生成的token存入数据库或者redis,但建议不要存储用户密码等敏感信息。

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