探索 JWT：安全、可扩展的身份验证方案

在当今的网络世界中，安全性是应用程序开发中至关重要的一个方面。随着用户数量和数据量的增加，保护用户数据和验证用户身份变得尤为重要。JSON Web Token（JWT）作为一种安全且可扩展的身份验证方案，越来越受到开发者的青睐。本文将深入探讨 JWT 的工作原理、优势和如何在应用程序中使用它来增强安全性。

什么是 JSON Web Token（JWT）？

JSON Web Token（JWT）是一种开放标准（RFC 7519），用于在网络应用中传输信息的简洁、自包含的方式。它由三部分组成：头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature）。这三部分由点号（.）分隔开来，形成了一个具有一定结构的字符串，如 xxxxx.yyyyy.zzzzz。

JWT的结构：

头部（Header）

头部通常由两部分组成，即令牌的类型（typ）和所使用的算法（alg）。例如，一个头部可能是 {"alg": "HS256", "typ": "JWT"}，表示使用 HMAC SHA-256 算法对令牌进行签名。
载荷（Payload）

载荷包含了 JWT 的声明信息，用于描述令牌的相关内容。载荷可以包含标准声明（例如：发行者、主题、过期时间等），也可以包含自定义声明。例如，一个载荷可能是 {"sub": "1234567890", "name": "John Doe", "exp": 1516239022}。
签名（Signature）

签名用于验证令牌的完整性和真实性。签名通常由头部、载荷和密钥一起计算而得。验证者可以使用相同的密钥重新计算签名，并将结果与令牌中的签名进行比较，以确认令牌的真实性。

JWT 的算法

JWT 支持多种签名算法，常用的包括 HMAC 算法和 RSA 算法。以下是常见的 JWT 签名算法：

HMAC(Hash-based Message Authentication Code)

HMAC 算法是一种基于哈希函数的消息认证码，通过将密钥和消息作为输入，生成一个固定长度的哈希值。常见的 HMAC 算法包括 HMAC SHA-256、HMAC SHA-384 和 HMAC SHA-512 等。
RSA(Rivest-Shamir-Adleman)

RSA 算法是一种非对称加密算法，使用一对公钥和私钥来对数据进行加密和解密。JWT 使用 RSA 算法可以实现更安全的签名和验证过程。
ECDSA(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)

ECDSA 算法是一种基于椭圆曲线的数字签名算法，可以实现较短的密钥长度和更高的安全性。

JWT的生成过程

上面讲了那么多，那么到底jwt token是怎么生成出来的呢？

首先根据你选择的算法生成头部（Header），例如常用的HS256，那么我们的头部信息就是{"alg": "HS256", "typ": "JWT"}。然后把头部信息base64编码。
定义自己的payload，然后base64编码;
把步骤1和步骤2生成的base64字符串用"."拼接起来，形成未签名的JWT Token
使用指定密钥对未签名的Token进行签名。
将未签名和签名的结果用"."连接起来形成最终的JWT Token

C# 复制代码

using System;
using System.Text;
using System.Security.Cryptography;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        // 定义密钥
        string secretKey = "my_secret_key_123456789";

        // 创建 Payload
        string payload = "{\"sub\":\"user_id\",\"email\":\"user@example.com\",\"jti\":\"" + Guid.NewGuid().ToString() + "\"}";

        // 创建 JWT Token
        string token = GenerateToken(payload, secretKey);

        Console.WriteLine("Generated JWT token:");
        Console.WriteLine(token);
    }

    static string GenerateToken(string payload, string secretKey)
    {
        // 创建 Header
        string header = "{\"alg\":\"HS256\",\"typ\":\"JWT\"}";

        // 编码 Header 和 Payload
        string encodedHeader = Base64UrlEncode(header);
        string encodedPayload = Base64UrlEncode(payload);

        // 创建 Signature
        string dataToSign = encodedHeader + "." + encodedPayload;
        byte[] signatureBytes;
        using (var hmac = new HMACSHA256(Encoding.UTF8.GetBytes(secretKey)))
        {
            signatureBytes = hmac.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(dataToSign));
        }
        string encodedSignature = Base64UrlEncode(signatureBytes);

        // 将 Header、Payload 和 Signature 拼接成 JWT Token
        return $"{encodedHeader}.{encodedPayload}.{encodedSignature}";
    }

    static string Base64UrlEncode(string input)
    {
        byte[] inputBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(input);
        return Base64UrlEncode(inputBytes);
    }

    static string Base64UrlEncode(byte[] inputBytes)
    {
        string base64 = Convert.ToBase64String(inputBytes);
        return base64.Replace('+', '-').Replace('/', '_').TrimEnd('=');
    }
}

JWT 的优势

无状态性：JWT 是无状态的，服务器不需要在后端存储会话信息，减轻了服务器负担。
安全性：JWT 使用签名来验证令牌的真实性，防止了篡改和伪造。
可扩展性：JWT 可以通过在 Payload 中添加自定义的声明来传递任意数据，实现了更多的功能。
跨语言：JWT是一种跨语言的标准，因为它使用 JSON 格式作为数据载体，并且它的标准规范是语言无关的。这意味着无论使用哪种编程语言编写的应用程序，都可以轻松地生成和解析 JWT。

JWT的缺点

无法撤销令牌：一旦颁发了 JWT，就无法在令牌的有效期内撤销它。即使用户的权限发生变化或者令牌被泄露，令牌也仍然有效，直到过期时间到期为止。
安全性依赖于签名算法：JWT 的安全性取决于签名算法的强度。如果使用了弱算法或者密钥管理不当，可能会导致签名被破解，从而使得 JWT 变得不安全。
无法处理令牌刷新：JWT 本身不提供令牌刷新功能，需要额外的机制来实现。这使得在令牌到期后，客户端需要重新进行身份验证，可能会增加一定的复杂性。
不适合存储敏感信息：JWT 虽然可以对 Payload 进行加密，但是加密后的 Payload 仍然可以被解析出来。因此，不建议在 JWT 中存储敏感信息，如密码等。

如何在应用程序中使用 JWT？

用户认证：用户登录时，服务器验证用户身份，并生成 JWT 返回给客户端。
访问授权：客户端在每次请求时，将 JWT 放在请求头中发送给服务器。
验证身份：服务器接收到请求后，验证 JWT 的签名和有效期，从而确认用户身份。

说明&注意事项

为每个第三方应用分配AppId/LoginKey
Token由我方服务端生成（格式/内容）
第三方获取Token后应该缓存一段时间
第三方不需要知道Token的数据内容
第三方调用服务接口时，必须携带Token
保护好Token密钥，绝对不能公开给第三方

错误实践

客户端直接生成Token！

会有哪些问题？

密钥泄露，导致签名无意义
内容不可控
数据结构难以更新

结语

JSON Web Token（JWT）作为一种安全、可扩展的身份验证方案，在网络应用开发中发挥着越来越重要的作用。通过了解 JWT 的工作原理、优势和在应用程序中的使用方式，我们可以更好地保护用户数据，提升应用程序的安全性和可扩展性。

如果你还没有开始使用 JWT 来增强你的应用程序的安全性，那么现在就是时候开始了！

更多一手讯息，可关注公众号：ITProHub