JWT课程：新手必学的JWT入门指南

本文详细介绍了JWT的基本概念、工作原理、优势与应用场景，并深入讲解了JWT的生成、验证及安全措施，帮助读者全面理解JWT的使用方法。

JWT（JSON Web Token）是一种开放标准（RFC 7519），用于在网络应用之间安全地传递信息。JWT通常用于身份验证和授权，它由三部分组成：头部、载荷和签名。JWT的关键在于其紧凑性、安全性以及易于解析的特点，使得它在现代Web应用中被广泛应用。

JWT采用一种自包含的、无状态的令牌格式，可以很容易地通过URL、POST请求参数或HTTP头字段等方式进行传输。这种格式不仅方便，而且可以减少服务器端的存储负担，因为JWT本身包含了所有必要的验证信息。

JWT的工作原理可以概括为以下几个步骤：

1. JWT生成：客户端请求服务器获取JWT，服务器验证客户端的身份（如用户名和密码），如果验证通过，生成一个包含用户信息的JWT。
2. JWT传递：服务器将生成的JWT返回给客户端，客户端收到后可以存储在本地（如使用localStorage、sessionStorage或cookies）。
3. JWT验证：当客户端需要与服务器进行交互时，将JWT通过请求头或其他方式发送给服务器。服务器接收到JWT后，对JWT进行验证，确保其有效性和安全性。
4. JWT解析：如果JWT通过验证，服务器可以解析JWT中的载荷，获取用户信息并进行后续的操作，如查询用户信息、权限验证等。
5. JWT刷新：由于JWT通常具有过期时间（如1小时），客户端在JWT即将过期时，可以再次请求服务器获取新的JWT，或使用刷新令牌进行刷新。

以下是JWT生成和验证的简单示例代码：

const jwt = require('jsonwebtoken');

const payload = {
    sub: '1234567890',
    name: 'John Doe',
    iat: Math.floor(Date.now() / 1000),
    exp: Math.floor(Date.now() / 1000) + (60 * 60)  // 1小时过期
};

const token = jwt.sign(payload, 'secret', { expiresIn: '1h' });
console.log('Generated JWT:', token);

try {
    const decoded = jwt.verify(token, 'secret');
    console.log('JWT is valid:', decoded);
} catch (error) {
    console.log('JWT is invalid:', error.name);
}

优势

1. 紧凑性：JWT相对于Cookie更为轻量，适合在跨域访问时使用。
2. 无状态：服务器不需要存储与JWT关联的任何数据，减轻了服务器的存储压力。
3. 安全性：通过加密和签名机制，保证了传输数据的安全性。
4. 跨域支持：JWT非常适合分布式系统中的身份验证和授权。

应用场景

1. 身份验证：用户登录后，服务器生成JWT并返回给客户端，客户端在后续请求中携带JWT进行身份验证。
2. 授权：通过JWT中的载荷，可以携带用户的权限信息，用于控制对资源的访问。
3. 数据交换：JWT可以用于不同服务间的安全数据交换。

JWT由三个部分组成：头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature），三者通过.分隔，形成一个紧凑的字符串。

头部部分包含JSON对象，通常包含两个字段：alg（算法）和typ（类型）。

{
    "alg": "HS256",  // 签名算法
    "typ": "JWT"     // 类型
}

头部经过Base64编码后，形成JWT的第一部分。

载荷部分包含声明（Claim），声明是关于实体（人、地方、物体、事件等）的声明。JWT标准中定义了三个保留的声明字段：

• iss: 发行人。
• exp: 过期时间，表示从1970年1月1日以来的秒数。
• sub: 主题，比如用户ID。
• aud: 接收方，通常是一个字符串数组，表示接收JWT的系统或服务。
• iat: 发行时间，表示从1970年1月1日以来的秒数。

{
    "sub": "1234567890",  // 用户ID
    "name": "John Doe",    // 用户名
    "iat": 1516239022,     // 发行时间
    "exp": 1516263022      // 过期时间
}

载荷经过Base64编码后，形成JWT的第二部分。

签名部分由头部和载荷的Base64编码后的字符串，以及一个密钥（secret）共同生成。签名的生成公式如下：

HMACSHA256(
    base64UrlEncode(header) + "." +
    base64UrlEncode(payload),
    secret
)

签名部分是JWT的最后一部分，用于验证JWT的完整性和真实性。签名的生成必须使用与头部指定的算法一致的算法（如HS256）。

JWT的生成过程包括准备阶段、使用库生成JWT和手动生成JWT的步骤。

在生成JWT之前，需要做好以下准备工作：

1. 选择合适的密钥：JWT的签名需要一个密钥（secret），该密钥通常是一个字符串，用于保证JWT的唯一性和安全性。
2. 配置算法：根据项目需求选择合适的签名算法（如HS256、RS256等）。
3. 设置过期时间：定义JWT的过期时间，通常以秒为单位，从1970年1月1日以来的秒数。

为了简化JWT的生成过程，可以使用成熟的库来生成JWT。以下示例使用Node.js的jsonwebtoken库生成JWT：

const jwt = require('jsonwebtoken');

// 定义载荷
const payload = {
    sub: '1234567890',
    name: 'John Doe',
    iat: 1516239022,
    exp: 1516263022
};

// 生成JWT
const token = jwt.sign(payload, 'secret', { expiresIn: '1h' });

console.log(token);

以上代码会生成一个包含过期时间的JWT，并返回一个Base64编码后的字符串。

如果不想依赖库，可以手动实现JWT的生成。以下是一个简单的示例代码：

const crypto = require('crypto');

function base64UrlEncode(input) {
    return Buffer.from(input).toString('base64').replace(/\+/g, '-').replace(/\//g, '_').replace(/=/g, '');
}

function generateJWT(payload, secret) {
    const header = {
        alg: 'HS256',
        typ: 'JWT'
    };

    const encodedHeader = base64UrlEncode(JSON.stringify(header));
    const encodedPayload = base64UrlEncode(JSON.stringify(payload));
    const signature = crypto
        .createHmac('sha256', secret)
        .update(encodedHeader + '.' + encodedPayload)
        .digest('base64')
        .replace(/\+/g, '-')
        .replace(/\//g, '_')
        .replace(/=/g, '');

    return `${encodedHeader}.${encodedPayload}.${signature}`;
}

const payload = {
    sub: '1234567890',
    name: 'John Doe',
    iat: Math.floor(Date.now() / 1000),
    exp: Math.floor(Date.now() / 1000) + (60 * 60)  // 1小时过期
};

const secret = 'secret';
console.log('Generated JWT:', generateJWT(payload, secret));

以上代码实现了JWT的生成，包括Base64编码和HMACSHA256签名。

验证JWT是确保JWT完整性和真实性的重要步骤，通常包括以下步骤：

1. 分割JWT：将JWT的字符串分割成头部、载荷和签名三部分。
2. 解析头部：从头部中获取签名算法。
3. 重新计算签名：使用头部中的算法和密钥，重新计算JWT的签名。
4. 对比签名：将重新计算的签名与JWT中的签名进行比较，判断JWT是否有效。

以下是一个简单的验证JWT的步骤：

1. 分割JWT：

   const [encodedHeader, encodedPayload, signature] = token.split('.');

2. 解析头部：

   const header = JSON.parse(Buffer.from(encodedHeader, 'base64').toString('utf8'));

3. 重新计算签名：

   const computedSignature = crypto
      .createHmac(header.alg, secret)
      .update(encodedHeader + '.' + encodedPayload)
      .digest('base64')
      .replace(/\+/g, '-')
      .replace(/\//g, '_')
      .replace(/=/g, '');

4. 对比签名：

   if (computedSignature === signature) {
      console.log('JWT is valid');
      const payload = JSON.parse(Buffer.from(encodedPayload, 'base64').toString('utf8'));
      console.log(payload);
   } else {
      console.log('JWT is invalid');
   }

以上代码验证了JWT的有效性，并解析了JWT中的载荷。

使用库验证JWT可以更简洁地实现验证过程。以下示例使用Node.js的jsonwebtoken库验证JWT：

const jwt = require('jsonwebtoken');

const secret = 'secret';

try {
    const decoded = jwt.verify(token, secret);
    console.log('JWT is valid');
    console.log(decoded);
} catch (error) {
    console.log('JWT is invalid');
    console.log(error.name);
}

以上代码使用jwt.verify函数验证JWT的有效性，并解析JWT中的载荷。

JWT在实际应用中可以用于实现用户认证和授权。以下是一个简单的用户认证示例。

用户认证是JWT的一个典型应用，用户登录后返回一个JWT，后续的请求中携带JWT进行身份验证。

以下是一个简单的用户认证示例代码：

const jwt = require('jsonwebtoken');

const secret = 'secret';

// 用户登录
const login = (username, password) => {
    // 模拟用户验证过程
    if (username === 'john' && password === 'secret') {
        const payload = {
            sub: '1234567890',
            name: 'John Doe',
            iat: Math.floor(Date.now() / 1000),
            exp: Math.floor(Date.now() / 1000) + (60 * 60)  // 1小时过期
        };

        const token = jwt.sign(payload, secret, { expiresIn: '1h' });

        return token;
    }

    return null;
};

// 验证JWT
const verifyToken = (token) => {
    try {
        const decoded = jwt.verify(token, secret);
        console.log('JWT is valid');
        console.log(decoded);
        return decoded;
    } catch (error) {
        console.log('JWT is invalid');
        console.log(error.name);
        return null;
    }
};

// 用户登录
const token = login('john', 'secret');
if (token) {
    console.log('Login successful');
    console.log(`Token: ${token}`);
} else {
    console.log('Login failed');
}

// 验证JWT
const decoded = verifyToken(token);
if (decoded) {
    console.log('Access granted');
} else {
    console.log('Access denied');
}

以上代码实现了用户登录和JWT的生成，并验证了JWT的有效性。

JWT虽然提供了许多便利，但也面临着一些潜在的安全风险。了解这些风险并采取措施提升安全性是非常重要的。

1. 密钥泄露：如果密钥泄露，攻击者可以伪造有效的JWT，导致身份验证失效。
2. 过期时间设置不当：过长的过期时间会使JWT的安全性降低，过短则频繁请求JWT生成。
3. 中间人攻击：在传输过程中，JWT可能被截获或篡改，导致攻击者冒充合法用户。
4. CSRF攻击：如果JWT存储在Cookies中，且没有设置HttpOnly属性，攻击者可以通过CSRF攻击获取JWT。
5. 跨域攻击：如果JWT通过前端JavaScript代码传递，可能存在跨域攻击的风险。

1. 使用HTTPS：确保JWT在传输过程中通过HTTPS协议，以防止中间人攻击。
2. 设置过期时间：合理设置JWT的过期时间，通常建议设置较短的过期时间（如1小时）。
3. 使用强密钥：确保密钥足够复杂且不易被猜测，定期更换密钥。
4. 不存储在Cookies中：如果必须存储JWT在Cookies中，确保设置HttpOnly属性，并使用SameSite属性防止CSRF攻击。
5. 使用刷新令牌：在JWT即将过期时，使用刷新令牌获取新的JWT，避免频繁请求JWT生成。
6. 限制JWT的使用范围：确保JWT仅被授权的服务使用，防止JWT被滥用。

以下是一些具体的代码示例来展示如何设置HttpOnly属性和SameSite属性，以及如何使用刷新令牌获取新的JWT：

const httpOnlyCookie = {
    httpOnly: true,
    sameSite: 'strict'
};

// 使用刷新令牌获取新的JWT的示例代码
const refreshJWT = (refreshToken, secret) => {
    try {
        const decoded = jwt.verify(refreshToken, secret);
        const payload = {
            sub: decoded.sub,
            name: decoded.name,
            iat: Math.floor(Date.now() / 1000),
            exp: Math.floor(Date.now() / 1000) + (60 * 60)  // 1小时过期
        };

        return jwt.sign(payload, secret, { expiresIn: '1h' });
    } catch (error) {
        return null;
    }
};