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jwt 实践应用以及特殊案例思考

JSON Web Token 是 rfc7519 出的一份标准,使用 JSON 来传递数据,用于判定用户是否登录状态。

jwt 之前,使用 session 来做用户认证。

以下代码均使用 javascript 编写。

session

传统判断是否登录的方式是使用 session + token

token 是指在客户端使用 token 作为用户状态凭证,浏览器一般存储在 localStorage 或者 cookie 中。

session 是指在服务器端使用 redis 或者 sql 类数据库,存储 user_id 以及 token 的键值对关系,基本工作原理如下。

在服务器端使用 sessions 存储键值对

const sessions = {
  "ABCED1": 10086,
  "CDEFA0": 10010
}
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每次客户端请求带权限数据时携带 token,在服务器端根据 token 与 sessions 获取 user_id, 完成认证过程

function getUserIdByToken (token) {
  return sessions[token]
}
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如果存储在 cookie 中就是经常听到的 session + cookie 的登录方案。其实存储在 cookielocalStorage 甚至 IndexedDB 或者 WebSQL 各有利弊,核心思想一致。

关于 cookie 以及 token 优缺点,在 token authetication vs cookies 中有讨论。

如果不使用 cookie,可以采取 localStorage + Authorization 的方式进行认证,更加无状态化

// http 的头,每次请求权限接口时,需要携带 Authorization Header
const headers = {
  Authorization: `Bearer ${localStorage.get('token')}`
}
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推荐一个前端的存储库 localForage,使用 IndexedDBWebSQL 以及 IndexedDB 做键值对存储。

无状态登录

session 需要在数据库中保持用户及token对应信息,所以叫 有状态

试想一下,如何在数据库中不保持用户状态也可以登录。

第一种方法: 前端直接传 user_id 给服务端

缺点也特别特别明显,容易被用户篡改成任意 user_id,权限设置形同虚设。不过思路正确,接着往下走。

改进: 对 user_id 进行对称加密

服务端对 user_id 进行对称加密后,作为 token 返回客户端,作为用户状态凭证。比上边略微强点,但由于对称加密,选择合适的算法以及密钥比较重要

改进: 对 user_id 不需要加密,只需要进行签名,保证不被篡改

这便是 jwt 的思想:user_id,加密算法和签名组成 token 一起存储到客户端,每当客户端请求接口时携带 token,服务器根据 token 解析出加密算法与 user_id 来判断签名是否一致。

Json Web Token

jwt 根据 HeaderPayload 以及 Signature 三个部分由 . 拼接而成。

Header

Header 由非对称加密算法和类型组成,如下

const header = {
  // 加密算法
  alg: 'HS256',
  type: 'jwt'
}
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Payload

Payload 中由 Registered Claim 以及需要通信的数据组成。这些数据字段也叫 Claim

Registered Claim 中比较重要的是 "exp" Claim 表示过期时间,在用户登录时会设置过期时间。

const payload = {
  // 表示 jwt 创建时间
  iat: 1532135735,

  // 表示 jwt 过期时间
  exp: 1532136735,

  // 用户 id,用以通信
  user_id: 10086
}
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Signature

SignatureHeaderPayload 以及 secretOrPrivateKey 计算而成。secretOrPrivateKey 作为敏感数据存储在服务器端,可以考虑使用 vault secret 或者 k8s secret

对于 secretOrPrivateKey,如果加密算法采用 HMAC,则为字符串,如果采用 RSA 或者 ECDSA,则为 PrivateKey。

// 由 HMACSHA256 算法进行签名,secret 不能外泄
const sign = HMACSHA256(base64.encode(header) + '.' + base64.encode(payload), secret)

// jwt 由三部分拼接而成
const jwt = base64.encode(header) + '.' + base64.encode(payload) + '.' + sign
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从生成 jwt 规则可知客户端可以解析出 payload,因此不要在 payload 中携带敏感数据,比如用户密码

校验过程

在生成规则中可知,jwt 前两部分是对 header 以及 payload 的 base64 编码。

当服务器收到客户端的 token 后,解析前两部分得到 header 以及 payload,并使用 header 中的算法与 secretOrPrivateKey 进行签名,判断与 jwt 中携带的签名是否一致。

带个问题,如何判断 token 过期?

应用

由上可知,jwt 并不对数据进行加密,而是对数据进行签名,保证不被篡改。除了在登录中可以用到,在进行邮箱校验,图形验证码和短信验证码时也可以用到。

图形验证码

在登录时,输入密码错误次数过多会出现图形验证码。

图形验证码的原理是给客户端一个图形,并且在服务器端保存与这个图片配对的字符串,以前也大都通过 session 来实现。

可以把验证码配对的字符串作为 secret,进行无状态校验。

const jwt = require('jsonwebtoken')

// 假设验证码为字符验证码,字符为 ACDE,10分钟失效
const token = jwt.sign({}, secrect + 'ACDE', { expiresIn: 60 * 10 })

const codeImage = getImageFromString('ACDE')

// 给前端的响应
const res = {
  // 验证码图片的 token,从中可以校验前端发送的验证码
  token,
  // 验证码图片
  codeImage,
}
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短信验证码与图形验证码同理

邮箱校验

现在网站在注册成功后会进行邮箱校验,具体做法是给邮箱发一个链接,用户点开链接校验成功。

// 把邮箱以及用户id绑定在一起
const code = jwt.sign({ email, userId }, secret, { expiresIn: 60 * 30 })

// 在此链接校验验证码
const link = `https://example.com/code=${code}`
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无状态 VS 有状态

关于无状态和有状态,在其它技术方向也有对比,比如 React 的 stateLess component 以及 stateful component,函数式编程中的副作用可以理解为状态,http 也是一个无状态协议,需要靠 header 以及 cookie 携带状态。

在用户认证这里,有无状态是指是否依赖外部数据存储,如 mysql,redis 等。

案例

思考以下几个关于登录的问题如何使用 session 以及 jwt 实现,来更加清楚 jwt 的使用场景

当用户注销时,如何使该 token 失效

因为 jwt 无状态,不保存用户设备信息,没法单纯使用它完成以上问题,可以再利用数据库保存一些状态完成。

  • session: 只需要把 user_id 对应的 token 清掉即可
  • jwt: 使用 redis,维护一张黑名单,用户注销时把该 token 加入黑名单,过期时间与 jwt 的过期时间保持一致。

如何允许用户只能在一个设备登录,如微信

  • session: 使用 sql 类数据库,对用户数据库表添加 token 字段并加索引,每次登陆重置 token 字段,每次请求需要权限接口时,根据 token 查找 user_id
  • jwt: 假使使用 sql 类数据库,对用户数据库表添加 token 字段(不需要添加索引),每次登陆重置 token 字段,每次请求需要权限接口时,根据 jwt 获取 user_id,根据 user_id 查用户表获取 token 判断 token 是否一致。另外也可以使用计数器的方法,如下一个问题。

对于这个需求,session 稍微简单些,毕竟 jwt 也需要依赖数据库。

如何允许用户只能在最近五个设备登录,如诸多播放器

  • session: 使用 sql 类数据库,创建 token 数据库表,有 id, token, user_id 三个字段,user 与 token 表为 1:m 关系。每次登录添加一行记录。根据 token 获取 user_id,再根据 user_id 获取该用户有多少设备登录,超过 5 个,则删除最小 id 一行。
  • jwt: 使用计数器,使用 sql 类数据库,在用户表中添加字段 count,默认值为 0,每次登录 count 字段自增1,每次登录创建的 jwt 的 Payload 中携带数据 current_count 为用户的 count 值。每次请求权限接口时,根据 jwt 获取 count 以及 current_count,根据 user_id 查用户表获取 count,判断与 current_count 差值是否小于 5

对于这个需求,jwt 略简单些,而使用 session 还需要多维护一张 token 表。

如何允许用户只能在最近五个设备登录,而且使某一用户踢掉除现有设备外的其它所有设备,如诸多播放器

  • session: 在上一个问题的基础上,删掉该设备以外其它所有的token记录。
  • jwt: 在上一个问题的基础上,对 count + 5,并对该设备重新赋值为新的 count。

如何显示该用户登录设备列表 / 如何踢掉特定用户

  • session: 在 token 表中新加列 device
  • jwt: 需要服务器端保持设备列表信息,做法与 session 一样,使用 jwt 意义不大

总结

从以上问题得知,如果不需要控制登录设备数量以及设备信息,无状态的 jwt 是一个不错的选择。一旦涉及到了设备信息,就需要对 jwt 添加额外的状态支持,增加了认证的复杂度,此时选用 session 是一个不错的选择。

jwt 不是万能的,是否采用 jwt,需要根据业务需求来确定。


我是山月,一个喜欢跑步与爬山的程序员,我会定期分享全栈文章在个人公众号中。如果你对全栈面试,前端工程化,graphql,devops,个人服务器运维以及微服务感兴趣的话,可以关注我

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