前后端分离之JWT用户认证

导语   在前后端分离开发时为什么需要用户认证呢?原因是由于HTTP协定是不储存状态的(stateless),这意味着当我们透过帐号密码验证一个使用者时,当下一个request请求时它就把刚刚的资料忘了。于是我们的程序就不知

  在前后端分离开发时为什么需要用户认证呢?原因是由于HTTP协定是不储存状态的(stateless),这意味着当我们透过帐号密码验证一个使用者时,当下一个request请求时它就把刚刚的资料忘了。于是我们的程序就不知道谁是谁,就要再验证一次。所以为了保证系统安全,我们就需要验证用户否处于登录状态。

  传统方式

  前后端分离通过Restful API进行数据交互时,如何验证用户的登录信息及权限。在原来的项目中,使用的是最传统也是最简单的方式,前端登录,后端根据用户信息生成一个token,并保存这个 token 和对应的用户id到数据库或Session中,接着把 token 传给用户,存入浏览器 cookie,之后浏览器请求带上这个cookie,后端根据这个cookie值来查询用户,验证是否过期。

  但这样做问题就很多,如果我们的页面出现了 XSS 漏洞,由于 cookie 可以被 JavaScript 读取,XSS 漏洞会导致用户 token 泄露,而作为后端识别用户的标识,cookie 的泄露意味着用户信息不再安全。尽管我们通过转义输出内容,使用 CDN 等可以尽量避免 XSS 注入,但谁也不能保证在大型的项目中不会出现这个问题。

  在设置 cookie 的时候,其实你还可以设置 httpOnly 以及 secure 项。设置 httpOnly 后 cookie 将不能被 JS 读取,浏览器会自动的把它加在请求的 header 当中,设置 secure 的话,cookie 就只允许通过 HTTPS 传输。secure 选项可以过滤掉一些使用 HTTP 协议的 XSS 注入,但并不能完全阻止。

  httpOnly 选项使得 JS 不能读取到 cookie,那么 XSS 注入的问题也基本不用担心了。但设置 httpOnly 就带来了另一个问题,就是很容易的被 XSRF,即跨站请求伪造。当你浏览器开着这个页面的时候,另一个页面可以很容易的跨站请求这个页面的内容。因为 cookie 默认被发了出去。

  另外,如果将验证信息保存在数据库中,后端每次都需要根据token查出用户id,这就增加了数据库的查询和存储开销。若把验证信息保存在session中,有加大了服务器端的存储压力。那我们可不可以不要服务器去查询呢?如果我们生成token遵循一定的规律,比如我们使用对称加密算法来加密用户id形成token,那么服务端以后其实只要解密该token就可以知道用户的id是什么了。不过呢,我只是举个例子而已,要是真这么做,只要你的对称加密算法泄露了,其他人可以通过这种加密方式进行伪造token,那么所有用户信息都不再安全了。恩,那用非对称加密算法来做呢,其实现在有个规范就是这样做的,就是我们接下来要介绍的 JWT。

  Json Web Token(JWT)

  JWT 是一个开放标准(RFC 7519),它定义了一种用于简洁,自包含的用于通信双方之间以 JSON 对象的形式安全传递信息的方法。JWT 可以使用 HMAC 算法或者是 RSA 的公钥密钥对进行签名。它具备两个特点:

  简洁(Compact)

  可以通过URL, POST 参数或者在 HTTP header 发送,因为数据量小,传输速度快

  自包含(Self-contained)

  负载中包含了所有用户所需要的信息,避免了多次查询数据库

  JWT 组成

前后端分离

Header 头部

  头部包含了两部分,token 类型和采用的加密算法

  {  "alg": "HS256",  "typ": "JWT"}

  它会使用 Base64 编码组成 JWT 结构的第一部分,如果你使用Node.js,可以用Node.js的包base64url来得到这个字符串。

  Base64是一种编码,也就是说,它是可以被翻译回原来的样子来的。它并不是一种加密过程。

  Payload 负载

  这部分就是我们存放信息的地方了,你可以把用户 ID 等信息放在这里,JWT 规范里面对这部分有进行了比较详细的介绍,常用的由 iss(签发者),exp(过期时间),sub(面向的用户),aud(接收方),iat(签发时间)。

  {    "iss": "lion1ou JWT",    "iat": 1441593502,    "exp": 1441594722,    "aud": "www.example.com",    "sub": "lion1ou@163.com"}

  同样的,它会使用 Base64 编码组成 JWT 结构的第二部分

  Signature 签名

  前面两部分都是使用 Base64 进行编码的,即前端可以解开知道里面的信息。Signature 需要使用编码后的 header 和 payload 以及我们提供的一个密钥,然后使用 header 中指定的签名算法(HS256)进行签名。签名的作用是保证 JWT 没有被篡改过。

  三个部分通过.连接在一起就是我们的 JWT 了,它可能长这个样子,长度貌似和你的加密算法和私钥有关系。

  其实到这一步可能就有人会想了,HTTP 请求总会带上 token,这样这个 token 传来传去占用不必要的带宽啊。如果你这么想了,那你可以去了解下 HTTP2,HTTP2 对头部进行了压缩,相信也解决了这个问题。

  签名的目的

  最后一步签名的过程,实际上是对头部以及负载内容进行签名,防止内容被窜改。如果有人对头部以及负载的内容解码之后进行修改,再进行编码,最后加上之前的签名组合形成新的JWT的话,那么服务器端会判断出新的头部和负载形成的签名和JWT附带上的签名是不一样的。如果要对新的头部和负载进行签名,在不知道服务器加密时用的密钥的话,得出来的签名也是不一样的。

  信息暴露

  在这里大家一定会问一个问题:Base64是一种编码,是可逆的,那么我的信息不就被暴露了吗?

  是的。所以,在JWT中,不应该在负载里面加入任何敏感的数据。在上面的例子中,我们传输的是用户的User ID。这个值实际上不是什么敏感内容,一般情况下被知道也是安全的。但是像密码这样的内容就不能被放在JWT中了。如果将用户的密码放在了JWT中,那么怀有恶意的第三方通过Base64解码就能很快地知道你的密码了。

  因此JWT适合用于向Web应用传递一些非敏感信息。JWT还经常用于设计用户认证和授权系统,甚至实现Web应用的单点登录。

  JWT 使用

\

  首先,前端通过Web表单将自己的用户名和密码发送到后端的接口。这一过程一般是一个HTTP POST请求。建议的方式是通过SSL加密的传输(https协议),从而避免敏感信息被嗅探。

  后端核对用户名和密码成功后,将用户的id等其他信息作为JWT Payload(负载),将其与头部分别进行Base64编码拼接后签名,形成一个JWT。形成的JWT就是一个形同lll.zzz.xxx的字符串。

  后端将JWT字符串作为登录成功的返回结果返回给前端。前端可以将返回的结果保存在localStorage或sessionStorage上,退出登录时前端删除保存的JWT即可。

  前端在每次请求时将JWT放入HTTP Header中的Authorization位。(解决XSS和XSRF问题)

  后端检查是否存在,如存在验证JWT的有效性。例如,检查签名是否正确;检查Token是否过期;检查Token的接收方是否是自己(可选)。

  验证通过后后端使用JWT中包含的用户信息进行其他逻辑操作,返回相应结果。

  和Session方式存储id的差异

  Session方式存储用户id的最大弊病在于Session是存储在服务器端的,所以需要占用大量服务器内存,对于较大型应用而言可能还要保存许多的状态。一般而言,大型应用还需要借助一些KV数据库和一系列缓存机制来实现Session的存储。

  而JWT方式将用户状态分散到了客户端中,可以明显减轻服务端的内存压力。除了用户id之外,还可以存储其他的和用户相关的信息,例如该用户是否是管理员、用户所在的分组等。虽说JWT方式让服务器有一些计算压力(例如加密、编码和解码),但是这些压力相比磁盘存储而言可能就不算什么了。具体是否采用,需要在不同场景下用数据说话。

  单点登录

  Session方式来存储用户id,一开始用户的Session只会存储在一台服务器上。对于有多个子域名的站点,每个子域名至少会对应一台不同的服务器,例如:www.taobao.com,nv.taobao.com,nz.taobao.com,login.taobao.com。所以如果要实现在login.taobao.com登录后,在其他的子域名下依然可以取到Session,这要求我们在多台服务器上同步Session。使用JWT的方式则没有这个问题的存在,因为用户的状态已经被传送到了客户端。

  总结

  JWT的主要作用在于(一)可附带用户信息,后端直接通过JWT获取相关信息。(二)使用本地保存,通过HTTP Header中的Authorization位提交验证。但其实关于JWT存放到哪里一直有很多讨论,有人说存放到本地存储,有人说存 cookie。个人偏向于放在本地存储,如果你有什么意见和看法欢迎提出。

  

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