jwt 實踐應用以及特殊案例思考

JSON Web Token 是 rfc7519 出的一份標准，使用 JSON 來傳遞數據，用於判定用戶是否登錄狀態。

jwt 之前，使用 session 來做用戶認證。

以下代碼均使用 javascript 編寫。

• 原文鏈接: 山月的博客

session

傳統判斷是否登錄的方式是使用 session + token。

token 是指在客戶端使用 token 作為用戶狀態憑證，瀏覽器一般存儲在 localStorage 或者 cookie 中。

session 是指在服務器端使用 redis 或者 sql 類數據庫，存儲 user_id 以及 token 的鍵值對關系，基本工作原理如下。

在服務器端使用 sessions 存儲鍵值對

const sessions = {
  "ABCED1": 10086,
  "CDEFA0": 10010
}

每次客戶端請求帶權限數據時攜帶 token，在服務器端根據 token 與 sessions 獲取 user_id， 完成認證過程

function getUserIdByToken (token) {
  return sessions[token]
}

如果存儲在 cookie 中就是經常聽到的 session + cookie 的登錄方案。其實存儲在 cookie，localStorage 甚至 IndexedDB 或者 WebSQL 各有利弊，核心思想一致。

關於 cookie 以及 token 優缺點，在 token authetication vs cookies 中有討論。

如果不使用 cookie，可以采取 localStorage + Authorization 的方式進行認證，更加無狀態化

// http 的頭，每次請求權限接口時，需要攜帶 Authorization Header
const headers = {
  Authorization: `Bearer ${localStorage.get('token')}`
}

推薦一個前端的存儲庫 localForage，使用 IndexedDB，WebSQL 以及 IndexedDB 做鍵值對存儲。

無狀態登錄

session 需要在數據庫中保持用戶及token對應信息，所以叫 有狀態。

試想一下，如何在數據庫中不保持用戶狀態也可以登錄。

第一種方法： 前端直接傳 user_id 給服務端

缺點也特別特別明顯，容易被用戶篡改成任意 user_id，權限設置形同虛設。不過思路正確，接着往下走。

改進： 對 user_id 進行對稱加密

服務端對 user_id 進行對稱加密后，作為 token 返回客戶端，作為用戶狀態憑證。比上邊略微強點，但由於對稱加密，選擇合適的算法以及密鑰比較重要

改進： 對 user_id 不需要加密，只需要進行簽名，保證不被篡改

這便是 jwt 的思想：user_id，加密算法和簽名組成 token 一起存儲到客戶端，每當客戶端請求接口時攜帶 token，服務器根據 token 解析出加密算法與 user_id 來判斷簽名是否一致。

Json Web Token

• jwt.io

jwt 根據 Header，Payload 以及 Signature 三個部分由 . 拼接而成。

Header

Header 由非對稱加密算法和類型組成，如下

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

Payload

Payload 中由 Registered Claim 以及需要通信的數據組成。這些數據字段也叫 Claim。

Registered Claim 中比較重要的是 "exp" Claim 表示過期時間，在用戶登錄時會設置過期時間。

const payload = {
  // 表示 jwt 創建時間
  iat: 1532135735,

  // 表示 jwt 過期時間
  exp: 1532136735,

  // 用戶 id，用以通信
  user_id: 10086
}

Signature

Signature 由 Header，Payload 以及 secretOrPrivateKey 計算而成。secretOrPrivateKey 作為敏感數據存儲在服務器端，可以考慮使用 vault secret 或者 k8s secret

對於 secretOrPrivateKey，如果加密算法采用 HMAC，則為字符串，如果采用 RSA 或者 ECDSA，則為 PrivateKey。

// 由 HMACSHA256 算法進行簽名，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

從生成 jwt 規則可知客戶端可以解析出 payload，因此不要在 payload 中攜帶敏感數據，比如用戶密碼

校驗過程

在生成規則中可知，jwt 前兩部分是對 header 以及 payload 的 base64 編碼。

當服務器收到客戶端的 token 后，解析前兩部分得到 header 以及 payload，並使用 header 中的算法與 secretOrPrivateKey 進行簽名，判斷與 jwt 中攜帶的簽名是否一致。

帶個問題，如何判斷 token 過期？

應用

由上可知，jwt 並不對數據進行加密，而是對數據進行簽名，保證不被篡改。除了在登錄中可以用到，在進行郵箱校驗，圖形驗證碼和短信驗證碼時也可以用到。

圖形驗證碼

在登錄時，輸入密碼錯誤次數過多會出現圖形驗證碼。

圖形驗證碼的原理是給客戶端一個圖形，並且在服務器端保存與這個圖片配對的字符串，以前也大都通過 session 來實現。

可以把驗證碼配對的字符串作為 secret，進行無狀態校驗。

const jwt = require('jsonwebtoken')

// 假設驗證碼為字符驗證碼，字符為 ACDE，10分鍾失效
const token = jwt.sign({}, secrect + 'ACDE', { expiresIn: 60 * 10 })

const codeImage = getImageFromString('ACDE')

// 給前端的響應
const res = {
  // 驗證碼圖片的 token，從中可以校驗前端發送的驗證碼
  token,
  // 驗證碼圖片
  codeImage,
}

短信驗證碼與圖形驗證碼同理

郵箱校驗

現在網站在注冊成功后會進行郵箱校驗，具體做法是給郵箱發一個鏈接，用戶點開鏈接校驗成功。

// 把郵箱以及用戶id綁定在一起
const code = jwt.sign({ email, userId }, secret, { expiresIn: 60 * 30 })

// 在此鏈接校驗驗證碼
const link = `https://example.com/code=${code}`

無狀態 VS 有狀態

關於無狀態和有狀態，在其它技術方向也有對比，比如 React 的 stateLess component 以及 stateful component，函數式編程中的副作用可以理解為狀態，http 也是一個無狀態協議，需要靠 header 以及 cookie 攜帶狀態。

在用戶認證這里，有無狀態是指是否依賴外部數據存儲，如 mysql，redis 等。

案例

思考以下幾個關於登錄的問題如何使用 session 以及 jwt 實現，來更加清楚 jwt 的使用場景

當用戶注銷時，如何使該 token 失效

因為 jwt 無狀態，不保存用戶設備信息，沒法單純使用它完成以上問題，可以再利用數據庫保存一些狀態完成。

• session: 只需要把 user_id 對應的 token 清掉即可
• jwt: 使用 redis，維護一張黑名單，用戶注銷時把該 token 加入黑名單，過期時間與 jwt 的過期時間保持一致。

如何允許用戶只能在一個設備登錄，如微信

• session: 使用 sql 類數據庫，對用戶數據庫表添加 token 字段並加索引，每次登陸重置 token 字段，每次請求需要權限接口時，根據 token 查找 user_id
• jwt: 假使使用 sql 類數據庫，對用戶數據庫表添加 token 字段(不需要添加索引)，每次登陸重置 token 字段，每次請求需要權限接口時，根據 jwt 獲取 user_id，根據 user_id 查用戶表獲取 token 判斷 token 是否一致。另外也可以使用計數器的方法，如下一個問題。

對於這個需求，session 稍微簡單些，畢竟 jwt 也需要依賴數據庫。

如何允許用戶只能在最近五個設備登錄，如諸多播放器

• session: 使用 sql 類數據庫，創建 token 數據庫表，有 id, token, user_id 三個字段，user 與 token 表為 1:m 關系。每次登錄添加一行記錄。根據 token 獲取 user_id，再根據 user_id 獲取該用戶有多少設備登錄，超過 5 個，則刪除最小 id 一行。
• jwt: 使用計數器，使用 sql 類數據庫，在用戶表中添加字段 count，默認值為 0，每次登錄 count 字段自增1，每次登錄創建的 jwt 的 Payload 中攜帶數據 current_count 為用戶的 count 值。每次請求權限接口時，根據 jwt 獲取 count 以及 current_count，根據 user_id 查用戶表獲取 count，判斷與 current_count 差值是否小於 5

對於這個需求，jwt 略簡單些，而使用 session 還需要多維護一張 token 表。

如何允許用戶只能在最近五個設備登錄，而且使某一用戶踢掉除現有設備外的其它所有設備，如諸多播放器

• session: 在上一個問題的基礎上，刪掉該設備以外其它所有的token記錄。
• jwt: 在上一個問題的基礎上，對 count + 5，並對該設備重新賦值為新的 count。

如何顯示該用戶登錄設備列表 / 如何踢掉特定用戶

• session: 在 token 表中新加列 device
• jwt: 需要服務器端保持設備列表信息，做法與 session 一樣，使用 jwt 意義不大

總結

從以上問題得知，如果不需要控制登錄設備數量以及設備信息，無狀態的 jwt 是一個不錯的選擇。一旦涉及到了設備信息，就需要對 jwt 添加額外的狀態支持，增加了認證的復雜度，此時選用 session 是一個不錯的選擇。

jwt 不是萬能的，是否采用 jwt，需要根據業務需求來確定。