基于 Token 的身份验证：JSON Web Token

最近了解下基于 Token 的身份验证，跟大伙分享下。很多大型网站也都在用，比如 Facebook，Twitter，Google+，Github 等等，比起传统的身份验证方法，Token 扩展性更强，也更安全点，非常适合用在 Web 应用或者移动应用上。Token 的中文有人翻译成 “令牌”，我觉得挺好，意思就是，你拿着这个令牌，才能过一些关卡。

传统身份验证的方法

HTTP 是一种没有状态的协议，也就是它并不知道是谁是访问应用。这里我们把用户看成是客户端，客户端使用用户名还有密码通过了身份验证，不过下回这个客户端再发送请求时候，还得再验证一下。

解决的方法就是，当用户请求登录的时候，如果没有问题，我们在服务端生成一条记录，这个记录里可以说明一下登录的用户是谁，然后把这条记录的 ID 号发送给客户端，客户端收到以后把这个 ID 号存储在 Cookie 里，下次这个用户再向服务端发送请求的时候，可以带着这个 Cookie ，这样服务端会验证一个这个 Cookie 里的信息，看看能不能在服务端这里找到对应的记录，如果可以，说明用户已经通过了身份验证，就把用户请求的数据返回给客户端。

上面说的就是 Session，我们需要在服务端存储为登录的用户生成的 Session ，这些 Session 可能会存储在内存，磁盘，或者数据库里。我们可能需要在服务端定期的去清理过期的 Session 。

基于 Token 的身份验证方法

使用基于 Token 的身份验证方法，在服务端不需要存储用户的登录记录。大概的流程是这样的：

1. 客户端使用用户名跟密码请求登录
2. 服务端收到请求，去验证用户名与密码
3. 验证成功后，服务端会签发一个 Token，再把这个 Token 发送给客户端
4. 客户端收到 Token 以后可以把它存储起来，比如放在 Cookie 里或者 Local Storage 里
5. 客户端每次向服务端请求资源的时候需要带着服务端签发的 Token
6. 服务端收到请求，然后去验证客户端请求里面带着的 Token，如果验证成功，就向客户端返回请求的数据

JWT

实施 Token 验证的方法挺多的，还有一些标准方法，比如 JWT，读作：jot ，表示：JSON Web Tokens 。JWT 标准的 Token 有三个部分：

• header（头部）
• payload（数据）
• signature（签名）

中间用点分隔开，并且都会使用 Base64 编码，所以真正的 Token 看起来像这样：

eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJpc3MiOiJuaW5naGFvLm5ldCIsImV4cCI6IjE0Mzg5NTU0NDUiLCJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlfQ.SwyHTEx_RQppr97g4J5lKXtabJecpejuef8AqKYMAJc

Header

每个 JWT token 里面都有一个 header，也就是头部数据。里面包含了使用的算法，这个 JWT 是不是带签名的或者加密的。主要就是说明一下怎么处理这个 JWT token 。

头部里包含的东西可能会根据 JWT 的类型有所变化，比如一个加密的 JWT 里面要包含使用的加密的算法。唯一在头部里面要包含的是 alg 这个属性，如果是加密的 JWT，这个属性的值就是使用的签名或者解密用的算法。如果是未加密的 JWT，这个属性的值要设置成 none。

示例：

{
  "alg": "HS256"
}

意思是这个 JWT 用的算法是 HS256。上面的内容得用 base64url 的形式编码一下，所以就变成这样：

eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9

Payload

Payload 里面是 Token 的具体内容，这些内容里面有一些是标准字段，你也可以添加其它需要的内容。下面是标准字段：

• iss：Issuer，发行者
• sub：Subject，主题
• aud：Audience，观众
• exp：Expiration time，过期时间
• nbf：Not before
• iat：Issued at，发行时间
• jti：JWT ID

比如下面这个 Payload ，用到了 iss 发行人，还有 exp 过期时间这两个标准字段。另外还有两个自定义的字段，一个是 name ，还有一个是 admin 。

{
 "iss": "ninghao.net",
 "exp": "1438955445",
 "name": "wanghao",
 "admin": true
}

使用 base64url 编码以后就变成了这个样子：

eyJpc3MiOiJuaW5naGFvLm5ldCIsImV4cCI6IjE0Mzg5NTU0NDUiLCJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlfQ

Signature

JWT 的最后一部分是 Signature ，这部分内容有三个部分，先是用 Base64 编码的 header.payload ，再用加密算法加密一下，加密的时候要放进去一个 Secret ，这个相当于是一个密码，这个密码秘密地存储在服务端。

• header
• payload
• secret

const encodedString = base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload); 
HMACSHA256(encodedString, 'secret');

处理完成以后看起来像这样：

SwyHTEx_RQppr97g4J5lKXtabJecpejuef8AqKYMAJc

最后这个在服务端生成并且要发送给客户端的 Token 看起来像这样：

eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJpc3MiOiJuaW5naGFvLm5ldCIsImV4cCI6IjE0Mzg5NTU0NDUiLCJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlfQ.SwyHTEx_RQppr97g4J5lKXtabJecpejuef8AqKYMAJc

客户端收到这个 Token 以后把它存储下来，下回向服务端发送请求的时候就带着这个 Token 。服务端收到这个 Token ，然后进行验证，通过以后就会返回给客户端想要的资源。

签发与验证 JWT

在应用里实施使用基于 JWT 这种 Token 的身份验证方法，你可以先去找一个签发与验证 JWT 的功能包。无论你的后端应用使用的是什么样的程序语言，系统，或者框架，你应该都可以找到提供类似功能的包。

准备项目

准备一个简单的 Node.js 项目：

cd ~/desktop
mkdir jwt-demo
cd jwt-demo
npm init -y

安装签发与验证 JWT 的功能包：

npm install jsonwebtoken --save

签发 JWT

在项目里随便添加一个 .js 文件，比如 index.js，在文件里添加下面这些代码：

const jwt = require('jsonwebtoken')

// Token 数据
const payload = {
  name: 'wanghao',
  admin: true
}

// 密钥
const secret = 'ILOVENINGHAO'

// 签发 Token
const token = jwt.sign(payload, secret, { expiresIn: '1day' })

// 输出签发的 Token
console.log(token)

非常简单，就是用了刚刚为项目安装的 jsonwebtoken 里面提供的 jwt.sign 功能，去签发一个 token。这个 sign 方法需要三个参数：

1. playload：签发的 token 里面要包含的一些数据。
2. secret：签发 token 用的密钥，在验证 token 的时候同样需要用到这个密钥。
3. options：一些其它的选项。

在命令行下面，用 node 命令，执行一下项目里的 index.js 这个文件（node index.js），会输出应用签发的 token：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlLCJpYXQiOjE1MjkwMzM5MDYsImV4cCI6MTUyOTEyMDMwNn0.DctA2QlUCrM6wLWkIO78wBVN0NLpjoIq4T5B_2WJ-PU

上面的 Token 内容并没有加密，所以如果用一些 JWT 解码功能，可以看到 Token 里面包含的内容，内容由三个部分组成，像这样：

// header
{
  "alg": "HS256", 
  "typ": "JWT"
}

// payload
{
  "admin": true, 
  "iat": 1529033906, 
  "name": "wanghao", 
  "exp": 1529120306
}

// signature
DctA2QlUCrM6wLWkIO78wBVN0NLpjoIq4T5B_2WJ-PU

假设用户通过了某种身份验证，你就可以使用上面的签发 Token 的功能为用户签发一个 Token。一般在客户端那里会把它保存在 Cookie 或 LocalStorage 里面。

用户下次向我们的应用请求受保护的资源的时候，可以在请求里带着我们给它签发的这个 Token，后端应用收到请求，检查签名，如果验证通过确定这个 Token 是我们自己签发的，那就可以为用户响应回他需要的资源。

验证 JWT

验证 JWT 的用效性，确定一下用户的 JWT 是我们自己签发的，首先要得到用户的这个 JWT Token，然后用 jwt.verify 这个方法去做一下验证。这个方法是 Node.js 的 jsonwebtoken 这个包里提供的，在其它的应用框架或者系统里，你可能会找到类似的方法来验证 JWT。

打开项目的 index.js 文件，里面添加几行代码：

// 验证 Token
jwt.verify(token, 'bad secret', (error, decoded) => {
  if (error) {
    console.log(error.message)
    return
  }
  console.log(decoded)
})

把要验证的 Token 数据，还有签发这个 Token 的时候用的那个密钥告诉 verify 这个方法，在一个回调里面有两个参数，error 表示错误，decoded 是解码之后的 Token 数据。

执行：

node ~/desktop/jwt-demo/index.js

输出：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlLCJpYXQiOjE1MjkwMzQ3MzMsImV4cCI6MTUyOTEyMTEzM30.swXojmu7VimFu3BoIgAxxpmm2J05dvD0HT3yu10vuqU

invalid signature

注意输出了一个 invalid signature ，表示 Token 里的签名不对，这是因为我们组长 verify 方法提供的密钥并不是签发 Token 的时候用的那个密钥。这样修改一下：

jwt.verify(token, secret, (error, decoded) => { ...

再次运行，会输出类似的数据：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlLCJpYXQiOjE1MjkwMzUzODYsImV4cCI6MTUyOTEyMTc4Nn0.mkNrt4TfcfmP22xd3C_GQn8qnUmlB39dKT9SpIBTBGI

{ name: 'wanghao', admin: true, iat: 1529035386, exp: 1529121786 }

RS256 算法

默认签发还有验证 Token 的时候用的是 HS256 算法，这种算法需要一个密钥（密码）。我们还可以使用 RS256 算法签发与验证 JWT。这种方法可以让我们分离开签发与验证，签发时需要用一个密钥，验证时使用公钥，也就是有公钥的地方只能做验证，但不能签发 JWT。

在项目下面创建一个新的目录，里面可以存储即将生成的密钥与公钥文件。

cd ~/desktop/jwt-demo
mkdir config
cd config

密钥

先生成一个密钥文件：

ssh-keygen -t rsa -b 2048 -f private.key

公钥

基于上面生成的密钥，再去创建一个对应的公钥：

openssl rsa -in private.key -pubout -outform PEM -out public.key

签发 JWT（RS256 算法）

用 RS256 算法签发 JWT 的时候，需要从文件系统上读取创建的密钥文件里的内容。

const fs = require('fs')

// 获取签发 JWT 时需要用的密钥
const privateKey = fs.readFileSync('./config/private.key')

签发仍然使用 jwt.sign 方法，只不过在选项参数里特别说明一下使用的算法是 RS256：

// 签发 Token
const tokenRS256 = jwt.sign(payload, privateKey, { algorithm: 'RS256' })

// 输出签发的 Token
console.log('RS256 算法：', tokenRS256)

验证 JWT（RS256 算法）

验证使用 RS256 算法签发的 JWT，需要在文件系统上读取公钥文件里的内容。然后用 jwt 的 verify 方法去做验证。

// 获取验证 JWT 时需要用的公钥
const publicKey = fs.readFileSync('./config/public.key')

// 验证 Token
jwt.verify(tokenRS256, publicKey, (error, decoded) => {
  if (error) {
    console.log(error.message)
    return
  }
  console.log(decoded)
})