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

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

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"
    }

我们对他进行编码后是：

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

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"}

那么直接 Base64 的话应该是：

    >>> base64.urlsafe_b64encode('{"user_id":"zhangsan"}')
    'eyJ1c2VyX2lkIjoiemhhbmdzYW4ifQ=='

然后去掉 = 号，最后应该是：

  'eyJ1c2VyX2lkIjoiemhhbmdzYW4ifQ'

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)

还是以前面的例子为例，

    base64UrlEncode(header)  =》 eyJhbGciOiAiSFMyNTYiLCAidHlwIjogIkpXVCJ9
    base64UrlEncode(payload) =》 eyJ1c2VyX2lkIjoiemhhbmdzYW4ifQ

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='

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'}

的 token 就是：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJ1c2VyX2lkIjoiemhhbmdzYW4ifQ.ec7IVPU-ePtbdkb85IRnK4t4nUVvF2bBf8fGhJmEwSs

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"

}

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

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);

运行程序可以看到打印出来的内容类似这样：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYW1lIjoi5byg5LiJIiwiaWF0IjoxNDYyODgxNDM3fQ.uVWC2h0_r1F4FZ3qDLkGN5KoFYbyZrFpRJMONZrJJog

之后，对token字符串，可以这样解码：

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

将打印出：

{ name: '张三', iat: 1462881437 }

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);

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

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

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。