JS `JWT` (JSON Web Tokens) 认证：无状态认证与安全考量

各位观众老爷，晚上好！今天咱们聊聊 JWT，这玩意儿在 Web 安全里可是个香饽饽。咱们争取用最接地气的方式，把这 JWT 扒个底朝天，让各位都能用得溜溜的。

啥是 JWT？别跟我拽文，说人话！

JWT (JSON Web Token)，你可以理解成一个加密过的身份证明。就像你出门要带身份证一样，你的程序要访问某些受保护的资源，也得带着 JWT。这玩意儿长得像一堆乱码，但里面包含了你的身份信息，以及一些其他的声明。服务器收到 JWT 之后，会验证这个 JWT 是不是它自己颁发的，有没有被篡改过，如果都没问题，那就允许你访问资源。

最关键的是，JWT 是无状态的。啥叫无状态？就是服务器不需要记住你的登录状态。传统的 Session 认证，服务器需要用一个 Session ID 来记住你，这玩意儿多了服务器就累死了。而 JWT 呢，服务器只需要验证一下你的 JWT 就行了，验证完了就忘了你，下次来还是一样验证，省心省力。

JWT 的结构：拆开看看里面有啥？

一个 JWT 实际上就是一个字符串，由三个部分组成，用点号 (.) 分隔：

Header (头部)：描述 JWT 的元数据，比如用什么算法加密的。
Payload (载荷)：存放实际的数据，比如用户 ID、过期时间等等。
Signature (签名)：对 Header 和 Payload 进行加密，防止 JWT 被篡改。

这三个部分都是经过 Base64 编码的。Base64 编码不是加密，只是把二进制数据转换成文本数据，方便传输。

咱们来个例子：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

Header: eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9 解码后是 {"alg":"HS256","typ":"JWT"}
Payload: eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ 解码后是 {"sub":"1234567890","name":"John Doe","iat":1516239022}
Signature: SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

Header：告诉服务器怎么加密的

Header 一般包含两个信息：

alg (Algorithm)：使用的加密算法，比如 HS256 (HMAC SHA256), RS256 (RSA SHA256) 等等。
typ (Type)：JWT 的类型，一般都是 JWT。

Payload：放点啥好呢？

Payload 里面可以放任何你想放的数据，但最好放一些和用户身份相关的信息，比如用户 ID、用户名、权限等等。JWT 标准也定义了一些常用的字段 (Claims)：

iss (Issuer)：JWT 的签发者。
sub (Subject)：JWT 的主题，一般是用户 ID。
aud (Audience)：JWT 的接收者。
exp (Expiration Time)：JWT 的过期时间。
nbf (Not Before)：JWT 的生效时间。
iat (Issued At)：JWT 的签发时间。
jti (JWT ID)：JWT 的唯一标识符。

Signature：防止 JWT 被篡改

Signature 是 JWT 最重要的部分，它用来验证 JWT 的完整性。服务器会用一个密钥 (Secret Key) 和 Header 中指定的算法，对 Header 和 Payload 进行加密，生成 Signature。当客户端发送 JWT 给服务器时，服务器会用同样的密钥和算法，重新计算 Signature，然后和客户端发送的 Signature 进行比较，如果一样，就说明 JWT 没有被篡改过。

JWT 认证流程：一步一步来

用户登录： 用户输入用户名和密码，发送给服务器。
服务器验证： 服务器验证用户名和密码是否正确。
生成 JWT： 如果用户名和密码正确，服务器会生成一个 JWT，里面包含用户的身份信息。
返回 JWT： 服务器把 JWT 返回给客户端。
客户端保存 JWT： 客户端把 JWT 保存起来，比如保存在 localStorage 或 Cookie 中。
访问受保护的资源： 客户端每次访问受保护的资源时，都会在请求头中带上 JWT。
服务器验证 JWT： 服务器收到请求后，会验证 JWT 的有效性，如果有效，就允许客户端访问资源。

代码演示：用 Node.js 生成和验证 JWT

这里咱们用 Node.js 和 jsonwebtoken 库来演示 JWT 的生成和验证。

首先，安装 jsonwebtoken 库：

npm install jsonwebtoken

然后，创建一个 jwt.js 文件：

const jwt = require('jsonwebtoken');

// 密钥 (Secret Key)，一定要保密！
const secretKey = 'your_secret_key';

// 生成 JWT
function generateToken(payload) {
  const token = jwt.sign(payload, secretKey, { expiresIn: '1h' }); // 设置过期时间为 1 小时
  return token;
}

// 验证 JWT
function verifyToken(token) {
  try {
    const decoded = jwt.verify(token, secretKey);
    return decoded; // 返回解码后的 payload
  } catch (err) {
    return null; // JWT 无效
  }
}

// 示例
const payload = {
  userId: 123,
  username: 'testUser',
  role: 'admin'
};

const token = generateToken(payload);
console.log('Generated Token:', token);

const decoded = verifyToken(token);
if (decoded) {
  console.log('Decoded Payload:', decoded);
} else {
  console.log('Token is invalid.');
}

module.exports = {
  generateToken,
  verifyToken
};

这个代码做了以下几件事：

引入 jsonwebtoken 库。
定义了一个密钥 secretKey，这个密钥一定要保密！
generateToken 函数用来生成 JWT，接收一个 payload 参数，payload 就是你想放在 JWT 里面的数据。
verifyToken 函数用来验证 JWT，接收一个 token 参数，如果 token 有效，就返回解码后的 payload，如果无效，就返回 null。
最后，我们用一个例子来演示 JWT 的生成和验证。

重要的事情说三遍：密钥一定要保密！密钥一定要保密！密钥一定要保密！

JWT 的安全问题：别掉以轻心

虽然 JWT 很方便，但是也存在一些安全问题，需要注意：

密钥泄露： 如果密钥泄露了，任何人都可以伪造 JWT，冒充你的用户。所以，密钥一定要保密！不要把密钥放在代码里，最好放在环境变量或者配置文件里。
算法选择： 尽量使用非对称加密算法，比如 RS256。对称加密算法 (比如 HS256) 的密钥只有一份，一旦泄露，所有 JWT 都会失效。而非对称加密算法有公钥和私钥两把钥匙，私钥用来签名 JWT，公钥用来验证 JWT，即使公钥泄露了，也无法伪造 JWT。
JWT 过期时间： JWT 的过期时间一定要设置，不然 JWT 就会一直有效，即使你的用户已经退出了登录。
防止重放攻击： 重放攻击是指攻击者截获到你的 JWT，然后重复发送这个 JWT，冒充你的用户。为了防止重放攻击，可以在 JWT 中添加一个 jti (JWT ID) 字段，每次验证 JWT 时，都检查这个 jti 是否已经使用过。
存储安全： 客户端存储 JWT 的地方也需要注意安全。如果保存在 localStorage 中，容易被 XSS 攻击窃取。如果保存在 Cookie 中，要注意设置 HttpOnly 和 Secure 属性，防止 XSS 和 MITM 攻击。

最佳实践：用得漂亮点

使用 HTTPS： 所有的 API 请求都应该使用 HTTPS，防止 JWT 被窃听。
验证所有 Claims： 不仅仅要验证 Signature，还要验证 iss、aud、exp 等等 Claims，确保 JWT 是由你信任的签发者签发的，是给你的应用使用的，并且没有过期。
使用 Refresh Token： JWT 的过期时间不宜设置太长，但如果每次访问资源都要重新登录，用户体验会很差。可以使用 Refresh Token 来解决这个问题。Refresh Token 是一个长期有效的 Token，用来刷新 JWT。当 JWT 过期时，客户端可以用 Refresh Token 向服务器请求一个新的 JWT，而不需要重新登录。
黑名单机制： 有时候，你需要让一个 JWT 立即失效，比如用户注销登录或者修改了密码。可以使用黑名单机制来实现这个功能。黑名单是一个存储无效 JWT 的列表，每次验证 JWT 时，都检查这个 JWT 是否在黑名单中。

JWT vs Session：选哪个好？

特性	JWT	Session
状态	无状态	有状态
服务器压力	低	高
可扩展性	高	低
安全性	需要注意密钥安全、防止 XSS 和 CSRF	需要注意 Session ID 安全、防止 Session Hijacking 和 Fixation
适用场景	分布式系统、API 认证	单体应用、需要存储更多用户信息的场景

总的来说，JWT 更适合分布式系统和 API 认证，Session 更适合单体应用和需要存储更多用户信息的场景。

总结：JWT 虽好，用起来要小心

JWT 是一种非常方便的认证方式，可以简化服务器的压力，提高系统的可扩展性。但是，JWT 也存在一些安全问题，需要注意。只有充分理解 JWT 的原理和安全风险，才能用得放心，用得舒心。

希望今天的讲解对大家有所帮助。如果有什么问题，欢迎提问！下课！

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