JSON WEB TOKEN(JWT)
JWT是toke的一种形式。主要由header（头部）、payload（载荷）、signature（签名）这三部分字符串组成，这三部分使用”.”进行连接，完整的一条JWT值为${header}.${payload}.${signature}，例如下面使用”.”进行连接的字符串：eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJ1c2VyIjoiMTEiLCJpYXQiOjE2MTQzMjU5NzksImV4cCI6MTYxNDMyNTk4MH0.iMjzC_jN3iwSpIyawy3kNRNlL1mBSEiXtOJqhIZmsl8
header
header最开始是一个JSON对象，该JSON包含alg和typ这两个属性，对JSON使用base64url（使用base64转码后再对特殊字符进行处理的编码算法，后面会详细介绍）编码后得到的字符串就是header的值。
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}
- alg：签名算法类型，生成
JWT中的signature部分时需要使用到，默认HS256 - typ：当前
token类型
payload
payload跟header一样，最开始也是一个JSON对象，使用base64url编码后的字符串就是最终的值。
payload中存放着7个官方定义的属性，同时我们可以写入一些额外的信息，例如用户的信息等。
- iss：签发人
- sub：主题
- aud：受众
- exp：过期时间
- nbf：生效时间
- iat：签发时间
- jti：编号
signature
signature会使用header中alg属性定义的签名算法，对header和payload合并的字符串进行加密，加密过程伪代码如下：
HMACSHA256(
`${base64UrlEncode(header)}.${base64UrlEncode(payload)}`,
secret
)
加密过后得到的字符串就是signature。
base64url
经过base64编码过后的字符串中会存在+、/、=这三个特殊字符，而JWT有可能通过url query进行传输，而url query中不能有+、/，url safe base64规定将+和/分别用-和_进行替换，同时=会在url query中产生歧义，因此需要将=删除，这就是整个编码过程，代码如下
/**
* node环境
* @desc 编码过程
* @param {any} data 需要编码的内容
* @return {string} 编码后的值
*/
function base64UrlEncode(data) {
const str = JSON.stringify(data);
const base64Data = Buffer.from(str).toString('base64');
// + -> -
// / -> _
// = ->
const base64UrlData = base64Data.replace(/\+/g, '-').replace(/\//g, '_').replace(/\=/g, '');
return base64UrlData;
}
当服务解析JWT内容的时候，需要将base64url编码后的内容进行解码操作。首先就是将-和_转成+和/，base64转码后得到的字符串长度能够被4整除，并且base64编码后的内容只有最后才会有=，下面我们看下解码过程：
/**
* node环境
* @desc 解码过程
* @param {any} base64UrlData 需要解码的内容
* @return {string} 解码后的内容
*/
function base64UrlDecode(base64UrlData) {
// - -> +
// _ -> /
// 使用=补充
const base64LackData = base64UrlData.replace(/\-/g, '+').replace(/\_/g, '/');
const num = 4 - base64LackData.length % 4;
const base64Data = `${base64LackData}${'===='.slice(0, num)}`
const str = Buffer.from(base64Data, 'base64').toString();
let data;
try {
data = JSON.parse(str);
} catch(err) {
data = str;
}
return data;
}
JWT使用
node中使用jsonwebtoken插件可以快速进行JWT开发，该插件主要提供了sign和verify两个函数，分别用来生成和验证JWT。
这里简单实现下JWT的生成和校验功能：
/**
* @desc JWT生成
* base64UrlEncode(jwt header)
* base64UrlEncode(jwt payload)
* HMACSHA256(`${base64UrlEncode(header)}.${base64UrlEncode(payload)}`, secret)
* @param {json} payload
* @param {string} secret
* @param {json} options
*/
const crypto = require('crypto');
function sign(payload, secret) {
const header = {
alg: 'HS256', // 这里只是走下流程，就直接用HS256进行签名了
typ: 'JWT',
};
const base64Header = base64UrlEncode(header);
const base64Payload = base64UrlEncode(payload);
const waitCryptoStr = `${base64Header}.${base64Payload}`;
const signature = crypto.createHmac('sha256', secret)
.update(waitCryptoStr)
.digest('hex');
return `${base64Header}.${base64Payload}.${signature}`;
}
/**
* @desc JWT校验
* jwt内容是否被篡改
* jwt时效校验，exp和nbf
* @param {string} jwt
* @param {string} secret
*/
const crypto = require('crypto');
function verify(jwt, secret) {
// jwt内容是否被篡改
const [base64Header, base64Payload, oldSinature] = jwt.split('.');
const newSinature = crypto.createHmac('sha256', secret)
.update(`${base64Header}.${base64Payload}`)
.digest('hex');
if (newSinature !== oldSinature) return false;
const now = Date.now();
const { nbf = now, exp = now + 1 } = base64UrlDecode(base64Payload);
// jwt时效校验，大于等于生效时间，小于过期时间
return now >= nbf && now < exp;
}
重放攻击
攻击者通过拦截请求拿到用户的JWT，然后使用该JWT请求后端敏感服务，来恶意的获取或修改该用户的数据。
加干扰码
服务端在生成JWT第三部分signature时，密钥的内容可以包含客户端的UA，既HMACSHA256(`${base64UrlEncode(header)}.${base64UrlEncode(payload)}`,`${secret}${UA}`) 。
如果该JWT在另一个客户端使用的时候，由于UA不同，重新生成的签名与JWT中的signature不一致，请求无效。
该方案也不能完全避免重放攻击，如果攻击者发现服务端加密的时候使用了UA字段，那攻击者在拦截JWT的时候，会一并拿到用户UA，然后再同时带上JWT和UA请求服务端，服务端就觉得当前请求是有效的。
把UA改成IP也是有一样的问题。
JWT续签
服务端验证传入的JWT通过后，生成一个新的JWT，在响应请求的时候，将新的JWT返回给客户端，同时将传入的JWT加入到黑名单中。客户端在收到响应后，将新的JWT写入本地缓存，等到下次请求的时候，将新的JWT带上一起请求服务。服务端验证的JWT的时候，需要判断当前JWT是否在黑名单中，如果在，就拒绝当前请求，反之就接受。如果请求的是登出接口，就不下发新的JWT。
/**
* @desc JWT续签例子
*/
const http = require('http');
const secret = 'test secret';
// 暂时用一个变量来存放黑名单，实际生产中改用redis、mysql等数据库存放
const blacks = [];
http.createServer((req, res) => {
const { authorization } = req.headers;
// 1、验证传入的JWT是否可用
const availabel = verify(authorization, secret);
if (!availabel) {
return res.end();
}
// 2、判断黑名单中是否存在当前JWT
if (blacks.includes(authorization)) {
return res.end();
}
// 3、将当前JWT放入黑名单
blacks.push(authorization);
// 4、生成新的JWT，并响应请求
const newJwt = sign({ userId: '1' }, secret);
res.end(newJwt);
}).listen(3000);
每次请求都刷新JWT会引起下面两个问题：
- 问题一：每次请求都会将老的
JWT放入黑名单中，随着时间的推移，黑名单越来越庞大，占用内存过多，每次查询时间过长。 - 问题二：客户端并行请求接口的时候，这些请求带的
JWT都是一样的值，请求进入服务始终有先后顺序，先进入的请求，服务端会将当前JWT放入黑名单。后进入的请求，服务端在判断到当前JWT在黑名单中，从而拒绝当前请求。
问题一解决方案：JWT中定义exp过期时间，程序设置定时任务，每过一段时间就去将黑名单中已经过期的JWT给删除。
const http = require('http');
const secret = 'test secret';
// 暂时用一个变量来存放黑名单，实际生产中改用redis、mysql等数据库存放
const blacks = [];
function cleanBlack() {
setTimeout(() => {
blacks = blacks.filter(balck => verify(balck));
cleanBlack();
}, 10 * 60 * 1000); // 10m清理一次黑名单
}
cleanBlack();
http.createServer((req, res) => {
const { authorization } = req.headers;
// 1、验证传入的JWT是否可用
const availabel = verify(authorization, secret);
if (!availabel) {
return res.end();
}
// 2、判断黑名单中是否存在当前JWT
if (blacks.includes(authorization)) {
return res.end();
}
// 3、将当前JWT放入黑名单
blacks.push(authorization);
// 4、生成新的JWT，并响应请求
const newJwt = sign({
userId: '1',
exp: Date.now() + 10 * 60 * 1000, // 10m过期
}, secret);
res.end(newJwt);
}).listen(3000);
问题二解决方案：
给黑名单中的JWT添加一个宽限时间。如果当前请求携带的JWT已经在黑名单了，但是当前还没有超过非给当前JWT的宽限时间，那么就正常运行后续代码，如果超出就拒绝请求。
const http = require('http');
const secret = 'test secret';
// 暂时直接用一个变量来存放黑名单，实际生产中改用redis或者mysql存放
const blacks = [];
const grace = {};
http.createServer((req, res) => {
const { authorization } = req.headers;
const now = Date.now();
// 1、验证传入的JWT是否可用
const availabel = verify(authorization, secret);
if (!availabel) {
return res.end();
}
// 2、判断黑名单中是否存在当前JWT，如果在，判断当前JWT是否处于宽限期内
const unavailable = blacks.includes(authorization) && now >= (grace[authorization] || now);
if (unavailable) {
return res.end();
}
// 3、当前JWT还没有加入黑名单时，将当前JWT放入黑名单
if (!blacks.includes(authorization)) {
blacks.push(authorization);
grace[authorization] = now + 1 * 60 * 1000; // 1m宽限时间
}
// 4、生成新的JWT，并响应请求
const newJwt = sign({ userId: '1' }, secret);
res.end(newJwt);
}).listen(3000);
注意：这个宽限时间是
JWT加入黑名单的时，依据当前时间向后设置的一个时间节点，并不是生成JWT的时候加入的。
互斥登录
使用JWT实现登录逻辑，要实现服务端主动登出功能，服务端需要在下发JWT前，就将该JWT存放到用户与JWT对应关系数据库中，等到服务端要主动注销该用户的时候，就将用户所对应的JWT加入到黑名单中。后续，该用户再请求服务的时候，传入的JWT已经在黑名单中了，请求会被拒绝。
用户密码修改，服务端主动注销用户登录功能，基本上和互斥登录差不多。