JWT解决方案资料：新手入门教程-原创手记-慕课网

概述

本文提供了JWT解决方案资料，介绍了JWT的基本概念、工作原理和组成部分，详细解释了JWT在认证与授权、跨域共享状态等方面的使用场景，并展示了JWT的生成与解析方法。

JWT简介与基本概念

什么是JWT

JWT（JSON Web Token）是一种开放标准（RFC 7519），用于在各方之间安全地进行信息传递。JWT的结构是紧凑且自包含的，因此非常适合通过HTTP请求头进行传递。JWT的设计目的是为了在网络应用中传递认证信息，常见的使用场景包括用户认证和信息交换。

JWT的工作原理

JWT的工作原理如下：

生成JWT：服务器创建一个JWT，并将其返回给客户端。
传递JWT：客户端存储JWT（通常是存储在本地存储中），并将其包含在后续的每个请求中（例如，附加在HTTP请求头的Authorization字段中）。
验证JWT：服务器收到请求后，会验证JWT，验证通过后，服务器继续处理该请求。

JWT的工作流程可以简化为以下步骤：

服务器生成JWT：服务器根据请求生成一个包含用户信息的JWT，使用密钥进行签名。
客户端存储JWT：客户端接收到JWT后，将其存储在本地存储（如localStorage或sessionStorage）中。
客户端发送JWT：客户端在每个请求中携带JWT，通过HTTP请求头的Authorization字段发送给服务器。
服务器验证JWT：服务器接收到请求后，提取JWT，使用相同的密钥验证其有效性。验证通过后，服务器继续处理请求。

JWT的组成部分

JWT由三部分组成，分别是头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature）。

头部：包含令牌的类型（"JWT"）和所使用的算法（如HMAC SHA256或RSA）。这种方式的格式如下：
```
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}
```
载荷：这是JWT的主体部分，包含了声明（claims），声明是关于实体（人、项目）的声明，或者额外的元数据。载荷可以包含诸如用户ID、用户名、手机号、邮箱等信息，但不应包含敏感信息，如密码明文。载荷内容的结构如下：
```
{
"sub": "1234567890",
"name": "John Doe",
"email": "john@example.com",
"iat": 1516239022
}
```
签名：签名用于验证消息的发送方是否为发送消息的人，以及消息在传输过程中是否被更改。生成签名的方式是用header和payload进行编码后的字符串与一个密钥一起，使用header中指定的算法生成签名，然后将这些部分组合起来，形成最终的令牌。生成签名的代码如下：
```
const jwt = require('jsonwebtoken');
const secret = 'your-256-bit-secret';

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

JWT的应用场景

JWT可以在多种场景中发挥作用，以下是一些常见的使用场景：

认证与授权

JWT可以用于替代传统的Cookie和Session认证方式，客户端向服务器发送JWT以请求某个资源或执行某个操作。服务端收到JWT后会验证其有效性，验证通过后提供相应的服务。这种方法在以下场景中特别有用：

单点登录：使用JWT来实现跨应用的单点登录功能。
API网关：API网关或微服务系统中，可以使用JWT来限制访问权限。

跨域共享状态

在跨域请求中，Cookie与Session机制通常会受到Same Origin Policy（同源策略）的限制，而JWT可以在前后端之间无障碍地传输，对于跨域共享状态非常有用。

简化客户端存储

在传统的Session认证机制中，服务端需要保存用户的Session信息，会占用一定的服务器资源。而使用JWT，认证信息可以放在客户端，服务端无需保存Session。对于移动应用或浏览器，存储一个JWT比存储一个Session Cookie要简单得多，因为JWT可以被存储在localStorage或sessionStorage中。

JWT的生成与解析

如何生成JWT

在生成JWT时，需要一个密钥，该密钥用于签名JWT。该密钥可以是一个字符串，也可以是其他类型的值，例如公钥/私钥对。

生成JWT的代码示例如下：

const jwt = require('jsonwebtoken');
const secret = 'your-256-bit-secret';

const payload = {
    some: 'payload',
};

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

console.log(token);

如何解析JWT

解析JWT时，需要使用相同的密钥来验证签名。如果签名不匹配，则JWT无效。以下是如何解析JWT的示例代码：

const jwt = require('jsonwebtoken');
const secret = 'your-256-bit-secret';

const token = 'eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzb21lIjoicGF5bG9hZCIsImlhdCI6MTUxNjIzOTAyMn0.eyJzb21lIjoicGF5bG9hZCIsImlhdCI6MTUxNjIzOTAyMn0';

try {
  const decoded = jwt.verify(token, secret);
  console.log(decoded);
} catch (err) {
  console.log('Token is invalid');
}

核心算法介绍

JWT支持多种算法，其中最常用的有HMAC SHA256（使用密钥进行签名）、RS256（使用非对称密钥进行签名）、HS256（使用密钥进行签名）。这些算法的作用是确保JWT的完整性，防止篡改。

HMAC SHA256算法：

const jwt = require('jsonwebtoken');
const secret = 'your-256-bit-secret';

const payload = {
    some: 'payload',
};

const token = jwt.sign(payload, secret, {
    algorithm: 'HS256', // 指定算法
    expiresIn: '1h' // 设置JWT过期时间
});

console.log(token);

RS256算法（使用非对称密钥进行签名）：

const jwt = require('jsonwebtoken');
const { JWK } = require('node-jose');

JWK.createKeyStore()
  .then(ks => ks.generate('RSA2048'))
  .then(key => {
    const privateKey = key.getMaterial().toString('utf8');
    const publicKey = key.toPublic().toPEM();
    const token = jwt.sign({ sub: '1234567890', name: 'John Doe', iat: 1516239022 }, privateKey, { algorithm: 'RS256' });
    console.log(token);
    console.log(jwt.verify(token, publicKey));
  });

HS256算法：

const jwt = require('jsonwebtoken');
const secret = 'your-256-bit-secret';

const payload = {
    some: 'payload',
};

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

console.log(token);

使用JWT的注意事项

安全性考虑

密钥管理：密钥是JWT安全性的核心，一旦泄露，会导致严重的安全问题，要使用安全的密钥管理机制来保护密钥。
过期时间：设置合理的过期时间，以防止JWT在过期后仍然被使用。
令牌验证：每次接收到JWT时都必须进行验证，确保令牌未被篡改。
不允许在前端存储敏感信息：JWT的载荷部分不应该包含敏感信息，如密码或银行卡号等。

JWT的存储与传输

存储：客户端可以将JWT存储在内存中或本地存储中，但不应存储在Cookie中，因为Cookie可能会受到Same Origin Policy限制。
传输：传输JWT时，必须使用HTTPS协议，以防止中间人攻击。

常见问题与解决方案

JWT过期时间设定过长：如果JWT过期时间设置过长，会导致安全性降低，解决方案是设置合理的过期时间，并在过期后要求用户重新登录或刷新令牌。
JWT大小限制：JWT大小不应超过4KB，否则会导致性能问题，解决方案是减少载荷中的数据量。
JWT篡改：JWT篡改会导致数据被篡改或伪造，解决方案是使用合适的算法进行签名。

示例代码

存储与传输JWT

// 使用localStorage存储JWT
localStorage.setItem('token', token);

// 在请求头中设置JWT
const headers = {
  'Authorization': `Bearer ${token}`
};
axios.get('/protected', { headers });

保护资源

app.get('/protected', (req, res) => {
  const token = req.headers.authorization;
  if (!token) {
    return res.status(401).send('No token provided');
  }
  jwt.verify(token, secret, (err, decoded) => {
    if (err) {
      return res.status(401).send('Invalid token');
    }
    res.send(`Welcome ${decoded.username}`);
  });
});

实战演练：使用JWT实现简易认证

准备工作

我们准备使用Node.js和Express框架来实现一个简单的JWT认证系统。在此之前，你需要确保已经安装了Node.js环境，并且安装了以下依赖：

express: 用于构建Web服务器。
jsonwebtoken: 用于生成和验证JWT。

安装这些依赖：

npm install express jsonwebtoken

代码实现步骤

创建Express应用：设置基本的Express应用，定义路由。

const express = require('express');
const jwt = require('jsonwebtoken');
const app = express();

const secret = 'your-256-bit-secret';

app.get('/', (req, res) => {
  res.send('Welcome to the JWT Auth System');
});

app.post('/login', (req, res) => {
  const { username, password } = req.body;
  // 这里应进行实际的用户认证逻辑，这里仅做示例
  if (username === 'admin' && password === 'password') {
    const token = jwt.sign({ username }, secret, { expiresIn: '1h' });
    res.json({ token });
  } else {
    res.status(401).send('Invalid credentials');
  }
});

app.get('/protected', (req, res) => {
  const token = req.headers.authorization;
  if (!token) {
    return res.status(401).send('No token provided');
  }
  jwt.verify(token, secret, (err, decoded) => {
    if (err) {
      return res.status(401).send('Invalid token');
    }
    res.send(`Welcome ${decoded.username}`);
  });
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('Server is running on port 3000');
});

用户登录：用户登录后，服务器将生成JWT，并返回给客户端。

const express = require('express');
const app = express();
const jwt = require('jsonwebtoken');
const secret = 'your-256-bit-secret';

app.post('/login', (req, res) => {
  const { username, password } = req.body;
  // 这里应进行实际的用户认证逻辑，这里仅做示例
  if (username === 'admin' && password === 'password') {
    const token = jwt.sign({ username }, secret, { expiresIn: '1h' });
    res.json({ token });
  } else {
    res.status(401).send('Invalid credentials');
  }
});

保护资源：对需要认证的资源进行保护，只有携带有效JWT的请求才能访问。

const express = require('express');
const app = express();
const jwt = require('jsonwebtoken');
const secret = 'your-256-bit-secret';

app.get('/protected', (req, res) => {
  const token = req.headers.authorization;
  if (!token) {
    return res.status(401).send('No token provided');
  }
  jwt.verify(token, secret, (err, decoded) => {
    if (err) {
      return res.status(401).send('Invalid token');
    }
    res.send(`Welcome ${decoded.username}`);
  });
});

调试与优化

为了测试和调试你的JWT认证系统，你需要执行以下步骤：

启动服务器：通过命令node app.js启动你的Express应用。
测试登录：使用Postman或其他工具，发送POST请求至/login，并传递用户名和密码。
测试保护资源：在请求头中添加Authorization: Bearer [JWT]，然后发送GET请求至/protected，验证是否能够访问资源。

资源推荐与进阶学习

进一步学习的资料推荐

慕课网：提供丰富的视频教程和实战项目，适合初学者和进阶学习。参见：https://www.imooc.com/
JWT官方文档：了解JWT的详细规范和技术细节。参见：https://tools.ietf.org/html/rfc7519
Node.js官方文档：学习Node.js的基础知识和高级特性。参见：https://nodejs.org/en/docs/