基于 Token 的身份验证：JSON Web Token
最近了解下基于 Token 的身份验证，跟大伙分享下。很多大型网站也都在用，比如 Facebook，Twitter，Google+，Github 等等，比起传统的身份验证方法，Token 扩展性更强，也更安全点，非常适合用在 Web 应用或者移动应用上。Token 的中文有人翻译成 “令牌”，我觉得挺好，意思就是，你拿着这个令牌，才能过一些关卡。
传统身份验证的方法
HTTP 是一种没有状态的协议，也就是它并不知道是谁是访问应用。这里我们把用户看成是客户端，客户端使用用户名还有密码通过了身份验证，不过下回这个客户端再发送请求时候，还得再验证一下。
解决的方法就是，当用户请求登录的时候，如果没有问题，我们在服务端生成一条记录，这个记录里可以说明一下登录的用户是谁，然后把这条记录的 ID 号发送给客户端，客户端收到以后把这个 ID 号存储在 Cookie 里，下次这个用户再向服务端发送请求的时候，可以带着这个 Cookie ，这样服务端会验证一个这个 Cookie 里的信息，看看能不能在服务端这里找到对应的记录，如果可以，说明用户已经通过了身份验证，就把用户请求的数据返回给客户端。
上面说的就是 Session，我们需要在服务端存储为登录的用户生成的 Session ，这些 Session 可能会存储在内存，磁盘，或者数据库里。我们可能需要在服务端定期的去清理过期的 Session 。
基于 Token 的身份验证方法
使用基于 Token 的身份验证方法，在服务端不需要存储用户的登录记录。大概的流程是这样的：
- 客户端使用用户名跟密码请求登录
- 服务端收到请求，去验证用户名与密码
- 验证成功后，服务端会签发一个 Token，再把这个 Token 发送给客户端
- 客户端收到 Token 以后可以把它存储起来，比如放在 Cookie 里或者 Local Storage 里
- 客户端每次向服务端请求资源的时候需要带着服务端签发的 Token
- 服务端收到请求，然后去验证客户端请求里面带着的 Token，如果验证成功，就向客户端返回请求的数据
JWT
实施 Token 验证的方法挺多的，还有一些标准方法，比如 JWT，读作：jot ，表示：JSON Web Tokens 。JWT 标准的 Token 有三个部分：
- header（头部）
- payload（数据）
- signature（签名）
中间用点分隔开，并且都会使用 Base64 编码，所以真正的 Token 看起来像这样：
eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJpc3MiOiJuaW5naGFvLm5ldCIsImV4cCI6IjE0Mzg5NTU0NDUiLCJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlfQ.SwyHTEx_RQppr97g4J5lKXtabJecpejuef8AqKYMAJc
Header
每个 JWT token 里面都有一个 header，也就是头部数据。里面包含了使用的算法，这个 JWT 是不是带签名的或者加密的。主要就是说明一下怎么处理这个 JWT token 。
头部里包含的东西可能会根据 JWT 的类型有所变化，比如一个加密的 JWT 里面要包含使用的加密的算法。唯一在头部里面要包含的是 alg 这个属性，如果是加密的 JWT，这个属性的值就是使用的签名或者解密用的算法。如果是未加密的 JWT，这个属性的值要设置成 none。
示例：
{
"alg": "HS256"
}
意思是这个 JWT 用的算法是 HS256。上面的内容得用 base64url 的形式编码一下，所以就变成这样：
eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9
Payload
Payload 里面是 Token 的具体内容，这些内容里面有一些是标准字段，你也可以添加其它需要的内容。下面是标准字段：
- iss：Issuer，发行者
- sub：Subject，主题
- aud：Audience，观众
- exp：Expiration time，过期时间
- nbf：Not before
- iat：Issued at，发行时间
- jti：JWT ID
比如下面这个 Payload ，用到了 iss 发行人，还有 exp 过期时间这两个标准字段。另外还有两个自定义的字段，一个是 name ，还有一个是 admin 。
{
"iss": "ninghao.net",
"exp": "1438955445",
"name": "wanghao",
"admin": true
}
使用 base64url 编码以后就变成了这个样子：
eyJpc3MiOiJuaW5naGFvLm5ldCIsImV4cCI6IjE0Mzg5NTU0NDUiLCJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlfQ
Signature
JWT 的最后一部分是 Signature ，这部分内容有三个部分，先是用 Base64 编码的 header.payload ，再用加密算法加密一下，加密的时候要放进去一个 Secret ，这个相当于是一个密码，这个密码秘密地存储在服务端。
- header
- payload
- secret
const encodedString = base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload);
HMACSHA256(encodedString, 'secret');
处理完成以后看起来像这样：
SwyHTEx_RQppr97g4J5lKXtabJecpejuef8AqKYMAJc
最后这个在服务端生成并且要发送给客户端的 Token 看起来像这样：
eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJpc3MiOiJuaW5naGFvLm5ldCIsImV4cCI6IjE0Mzg5NTU0NDUiLCJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlfQ.SwyHTEx_RQppr97g4J5lKXtabJecpejuef8AqKYMAJc
客户端收到这个 Token 以后把它存储下来，下回向服务端发送请求的时候就带着这个 Token 。服务端收到这个 Token ，然后进行验证，通过以后就会返回给客户端想要的资源。
签发与验证 JWT
在应用里实施使用基于 JWT 这种 Token 的身份验证方法，你可以先去找一个签发与验证 JWT 的功能包。无论你的后端应用使用的是什么样的程序语言，系统，或者框架，你应该都可以找到提供类似功能的包。
准备项目
准备一个简单的 Node.js 项目：
cd ~/desktop
mkdir jwt-demo
cd jwt-demo
npm init -y
安装签发与验证 JWT 的功能包：
npm install jsonwebtoken --save
签发 JWT
在项目里随便添加一个 .js 文件，比如 index.js，在文件里添加下面这些代码：
const jwt = require('jsonwebtoken')
// Token 数据
const payload = {
name: 'wanghao',
admin: true
}
// 密钥
const secret = 'ILOVENINGHAO'
// 签发 Token
const token = jwt.sign(payload, secret, { expiresIn: '1day' })
// 输出签发的 Token
console.log(token)
非常简单，就是用了刚刚为项目安装的 jsonwebtoken 里面提供的 jwt.sign 功能，去签发一个 token。这个 sign 方法需要三个参数：
- playload：签发的 token 里面要包含的一些数据。
- secret：签发 token 用的密钥，在验证 token 的时候同样需要用到这个密钥。
- options：一些其它的选项。
在命令行下面，用 node 命令，执行一下项目里的 index.js 这个文件（node index.js），会输出应用签发的 token：
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlLCJpYXQiOjE1MjkwMzM5MDYsImV4cCI6MTUyOTEyMDMwNn0.DctA2QlUCrM6wLWkIO78wBVN0NLpjoIq4T5B_2WJ-PU
上面的 Token 内容并没有加密，所以如果用一些 JWT 解码功能，可以看到 Token 里面包含的内容，内容由三个部分组成，像这样：
// header
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}
// payload
{
"admin": true,
"iat": 1529033906,
"name": "wanghao",
"exp": 1529120306
}
// signature
DctA2QlUCrM6wLWkIO78wBVN0NLpjoIq4T5B_2WJ-PU
假设用户通过了某种身份验证，你就可以使用上面的签发 Token 的功能为用户签发一个 Token。一般在客户端那里会把它保存在 Cookie 或 LocalStorage 里面。
用户下次向我们的应用请求受保护的资源的时候，可以在请求里带着我们给它签发的这个 Token，后端应用收到请求，检查签名，如果验证通过确定这个 Token 是我们自己签发的，那就可以为用户响应回他需要的资源。
验证 JWT
验证 JWT 的用效性，确定一下用户的 JWT 是我们自己签发的，首先要得到用户的这个 JWT Token，然后用 jwt.verify 这个方法去做一下验证。这个方法是 Node.js 的 jsonwebtoken 这个包里提供的，在其它的应用框架或者系统里，你可能会找到类似的方法来验证 JWT。
打开项目的 index.js 文件，里面添加几行代码：
// 验证 Token
jwt.verify(token, 'bad secret', (error, decoded) => {
if (error) {
console.log(error.message)
return
}
console.log(decoded)
})
把要验证的 Token 数据，还有签发这个 Token 的时候用的那个密钥告诉 verify 这个方法，在一个回调里面有两个参数，error 表示错误，decoded 是解码之后的 Token 数据。
执行：
node ~/desktop/jwt-demo/index.js
输出：
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlLCJpYXQiOjE1MjkwMzQ3MzMsImV4cCI6MTUyOTEyMTEzM30.swXojmu7VimFu3BoIgAxxpmm2J05dvD0HT3yu10vuqU
invalid signature
注意输出了一个 invalid signature ，表示 Token 里的签名不对，这是因为我们组长 verify 方法提供的密钥并不是签发 Token 的时候用的那个密钥。这样修改一下：
jwt.verify(token, secret, (error, decoded) => { ...
再次运行，会输出类似的数据：
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYW1lIjoid2FuZ2hhbyIsImFkbWluIjp0cnVlLCJpYXQiOjE1MjkwMzUzODYsImV4cCI6MTUyOTEyMTc4Nn0.mkNrt4TfcfmP22xd3C_GQn8qnUmlB39dKT9SpIBTBGI
{ name: 'wanghao', admin: true, iat: 1529035386, exp: 1529121786 }
RS256 算法
默认签发还有验证 Token 的时候用的是 HS256 算法，这种算法需要一个密钥（密码）。我们还可以使用 RS256 算法签发与验证 JWT。这种方法可以让我们分离开签发与验证，签发时需要用一个密钥，验证时使用公钥，也就是有公钥的地方只能做验证，但不能签发 JWT。
在项目下面创建一个新的目录，里面可以存储即将生成的密钥与公钥文件。
cd ~/desktop/jwt-demo
mkdir config
cd config
密钥
先生成一个密钥文件：
ssh-keygen -t rsa -b 2048 -f private.key
公钥
基于上面生成的密钥，再去创建一个对应的公钥：
openssl rsa -in private.key -pubout -outform PEM -out public.key
签发 JWT（RS256 算法）
用 RS256 算法签发 JWT 的时候，需要从文件系统上读取创建的密钥文件里的内容。
const fs = require('fs')
// 获取签发 JWT 时需要用的密钥
const privateKey = fs.readFileSync('./config/private.key')
签发仍然使用 jwt.sign 方法，只不过在选项参数里特别说明一下使用的算法是 RS256：
// 签发 Token
const tokenRS256 = jwt.sign(payload, privateKey, { algorithm: 'RS256' })
// 输出签发的 Token
console.log('RS256 算法：', tokenRS256)
验证 JWT（RS256 算法）
验证使用 RS256 算法签发的 JWT，需要在文件系统上读取公钥文件里的内容。然后用 jwt 的 verify 方法去做验证。
// 获取验证 JWT 时需要用的公钥
const publicKey = fs.readFileSync('./config/public.key')
// 验证 Token
jwt.verify(tokenRS256, publicKey, (error, decoded) => {
if (error) {
console.log(error.message)
return
}
console.log(decoded)
})
