理解ASP.NET Core – 基于JwtBearer的身份认证(Authentication)
注：本文隶属于《理解ASP.NET Core》系列文章，请查看置顶博客或点击此处查看全文目录
在开始之前，如果你还不了解基于Cookie的身份认证，那么建议你先阅读《基于Cookie的身份认证》后再阅读本文。
另外，为了方便大家理解并能够上手操作，我已经准备好了一个示例程序，请访问XXTk.Auth.Samples.JwtBearer.HttpApi获取源码。文章中的代码，基本上在示例程序中均有实现，强烈建议组合食用！
Jwt概述
Jwt是什么
Jwt是一个开放行业标准（RFC7519），英文为Json Web Token，译为“Json网络令牌”，它可以以紧凑、URL安全的方式在各方之间传递声明（claims）。
在Jwt中，声明会被编码为Json对象，用作Jws(Json Web Signature)结构的负载（payload），或作为Jwe（Json Web Encryption）结构的明文，这就使得声明可以使用MAC（Message Authentication Code）进行数字签名或完整性保护和加密。
获取更多信息请访问 //jwt.io/
对jwt、jws、jwe有疑惑的请参考《一篇文章带你分清楚JWT,JWS与JWE》
Jwt解决了什么问题
跨站
传统的cookie只能实现跨域，而不能实现跨站（如my.abc.com和you.xyz.com），而Jwt原生支持跨域、跨站，因为它要求每次请求时，都要在请求头中携带token。
跨服务器
在当前应用基本都是集群部署的情况下，如果使用传统cookie + session的认证方式，为了实现session跨服务器共享，还必须引入分布式缓存中间件。而Jwt不需要分布式缓存中间件，因为它可以不存储在服务器端。
Native App友好
对于原生平台（如iOS、Android、WP）的App，没有浏览器的支持，Cookie丧失了它的优势，而使用Jwt就很简单。
Jwt的结构
先看一个Jwt示例：
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJpc3MiOiJodHRwOi8vbG9jYWxob3N0OjUwMDAiLCJpYXQiOjE2NDI3NDg5OTIsIm5iZiI6MTY0Mjc0ODk5MiwiZXhwIjoxNjQyNzQ4OTkyLCJhdWQiOiJodHRwOi8vbG9jYWxob3N0OjUwMDAiLCJuYW1lIjoieGlhb3hpYW90YW5rIn0.nqJpZl48gnP4fv7NdsSD9JOn0VWq045Zcbmb91HMhwY
看起来就是很长一段毫无意义的乱码，不过细心点，你会发现它被符号点（.）分隔为了3个部分，看起来就像这样：
xxxxx.yyyyy.zzzzz
从左到右这3个部分称为：头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature）。
头部（Header）
Header主要用于说明token类型和签名算法。
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT",
}
alg：签名算法，这里是 HMAC SHA256typ：token类型，这里是JWT
对Header去除所有换行和空格后，得到：{"alg":"HS256","typ":"JWT"}，接着对其进行Base64Url编码，即可获取到Token的第1部分：
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9
载荷（Payload）
Payload是核心，主要用于存储声明信息，如token签发者、用户Id、用户角色等。
{
"iss": "//localhost:5000",
"iat": 1642748992,
"nbf": 1642748992,
"exp": 1642748992,
"aud": "//localhost:5000",
"name": "xiaoxiaotank"
}
其中，前五个是预定义的：
iss：Issuer，即token的签发者。iat：Issued At，即token的签发时间exp：Expiration Time，即token的过期时间aud：Audience，即受众，指该token是服务于哪个群体的（群体范围），或该token所授予的有权限的资源是哪一块（资源的uri）nbf：Not Before，即在指定的时间点之前该token不可用
实际上，Jwt中的声明可以分为以下三种类型：
Registered Claim：预定义声明，虽然并非强制使用，但是推荐使用，包括 iss(Issuer)、sub(Subject)、aud(Audience)、exp(Expiration Time)、nbf(Not Before)、iat(Issued At)和jti(JWT ID)。可以看到，这些声明名字都很短小，这是因为Jwt的核心目标是使表示紧凑。Public Claim: 公共声明，Jwt的使用者可以随便定义，但是要避免和预定义声明冲突。Private Claim: 私有声明，不同于公共声明的是，私有声明名称可能会发生冲突，应该谨慎使用。
对Payload（记得去除所有换行和空格）进行Base64Url编码，即可获取到Token的第2部分：
eyJpc3MiOiJodHRwOi8vbG9jYWxob3N0OjUwMDAiLCJpYXQiOjE2NDI3NDg5OTIsIm5iZiI6MTY0Mjc0ODk5MiwiZXhwIjoxNjQyNzQ4OTkyLCJhdWQiOiJodHRwOi8vbG9jYWxob3N0OjUwMDAiLCJuYW1lIjoieGlhb3hpYW90YW5rIn0
不要在Payload中存储任何敏感信息，因为Base64Url不是加密，只是编码，所以这部分对于客户端来说是明文。
签名（Signature）
Signature主要用于防止token被篡改。当服务端获取到token时，会按照如下算法计算签名，若计算出的与token中的签名一致，才认为token没有被篡改。
签名算法：
- 先将Header和Payload通过点（.）连接起来，即
Base64Url编码的Header.Base64Url编码的Payload，记为 text - 然后使用Header中指明的签名算法对text进行加密，得到一个二进制数组，记为 signBytes
- 最后对 signBytes 进行Base64Url编码，得到signature，即token的第三部分
nqJpZl48gnP4fv7NdsSD9JOn0VWq045Zcbmb91HMhwY
Jwt带来了什么问题
不安全
所谓的“不安全”，是指Jwt的Payload是明文（Base64Url编码），因此其不能存储敏感数据。
不过，我们可以针对生成的token，再进行一次加密，这样相对会更加安全一些。不过无论如何，还是不如将数据保存在服务端安全。
长度太长
通过前面的示例，你也看到了，虽然我们只在token中存储了少量必要信息，但是生成的token字符串长度仍然很长。而用户每次发送请求时，都会携带这个token，在一定程度上来看，开销是较大的，不过我们一般可以忽略这点性能开销。
无状态 & 一次性
jwt最大的特点是无状态和一次性，这也就导致如果我们想要修改里面的内容，必须重新签发一个新的token。因此，也就引出了另外的两个问题：
-
无法手动过期
如果我们想要使已签发的jwt失效，除非达到它的过期时间，否则我们是无法手动让其失效的。 -
无法续签
假设我们签发了一个有效时长30分钟的token，用户在这30分钟内持续进行操作，当达到token的有效期时，我们希望能够延长该token的有效期，而不是让用户重新登录。显然，要实现这个效果，必须要重新签发一个新的token，而不是在原token上操作。
Bearer概述
HTTP提供了一套标准的身份认证方案：当身份认证不通过时，服务端可以向客户端发送质询(challenge)，客户端根据质询提供身份验证凭证进行应答。
质询与应答的具体工作流程如下：当身份认证不通过时，服务端向客户端返回HTTP状态码401（Unauthorized，未授权），并在WWW-Authenticate头中添加如何提供认证凭据的信息，其中至少包含有一种质询方式。然后客户端根据质询，在请求头中添加Authorization，它的值就是进行身份认证的凭证。
在HTTP标准认证方案中，大家可能比较熟悉的是Basic和Digest。Basic将用户名密码使用Base64编码后作为认证凭证，而Digest在Basic的基础上针对安全性进行了升级，使得用户密码更加安全。在前文介绍的Cookie认证属于Form认证，并不属于HTTP标准认证方案。
而今天提到的Bearer，也属于HTTP协议标准认证方案之一，详见：RFC 6570
+--------+ +---------------+
| |--(A)- Authorization Request ->| Resource |
| | | Owner |
| |<-(B)-- Authorization Grant ---| |
| | +---------------+
| |
| | +---------------+
| |--(C)-- Authorization Grant -->| Authorization |
| Client | | Server |
| |<-(D)----- Access Token -------| |
| | +---------------+
| |
| | +---------------+
| |--(E)----- Access Token ------>| Resource |
| | | Server |
| |<-(F)--- Protected Resource ---| |
+--------+ +---------------+
Abstract Protocol Flow
Bearer认证中的凭据称为Bearer Token，或称为access token，标准请求格式为（添加到HTTP请求头中）：
Authorization: Bearer [Access Token]
另外，如果你对Basic和Digest感兴趣，推荐阅读以下几篇文章：
身份认证(Authentication)
前文已经讲述过的身份认证中间件就不赘述了，咱们直接进入JwtBearer。
首先，通过Nuget安装以下三个包：
Install-Package IdentityModel
Install-Package System.IdentityModel.Tokens.Jwt
Install-Package Microsoft.AspNetCore.Authentication.JwtBearer
接着，通过AddJwtBearer扩展方法添加JwtBearer认证方案：
public class Startup
{
public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
services.AddAuthentication(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme)
.AddJwtBearer(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme, options =>
{
// 在这里对该方案进行详细配置
});
}
}
同CookieAuthenticationDefaults类似，JwtBearer也提供了JwtBearerDefaults，不过它比较简单，就只有一个AuthenticationScheme：
public static class JwtBearerDefaults
{
public const string AuthenticationScheme = "Bearer";
}
同样地，我们可以通过options针对Jwt的验证参数、验证处理器、事件回调等进行详细配置。它的类型为JwtBearerOptions，继承自AuthenticationSchemeOptions。下面会针对一些常用参数进行详细讲解（本文只介绍最简单的jwt签发和验证，不涉及认证授权认证中心）。
在开始之前，先自定义一个选项类JwtOptions，将常用参数配置化：
public class JwtOptions
{
public const string Name = "Jwt";
public readonly static Encoding DefaultEncoding = Encoding.UTF8;
public readonly static double DefaultExpiresMinutes = 30d;
public string Audience { get; set; }
public string Issuer { get; set; }
public double ExpiresMinutes { get; set; } = DefaultExpiresMinutes;
public Encoding Encoding { get; set; } = DefaultEncoding;
public string SymmetricSecurityKeyString { get; set; }
public SymmetricSecurityKey SymmetricSecurityKey => new(Encoding.GetBytes(SymmetricSecurityKeyString));
}
现在，我们无需关注各个参数的具体值是多少，直接看下方的方案配置：
public class Startup
{
public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
services.Configure<JwtOptions>(Configuration.GetSection(JwtOptions.Name));
var jwtOptions = Configuration.GetSection(JwtOptions.Name).Get<JwtOptions>();
services.AddSingleton(sp => new SigningCredentials(jwtOptions.SymmetricSecurityKey, SecurityAlgorithms.HmacSha256Signature));
services.AddScoped<AppJwtBearerEvents>();
services.AddAuthentication(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme)
.AddJwtBearer(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme, options =>
{
options.TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
{
ValidAlgorithms = new[] { SecurityAlgorithms.HmacSha256, SecurityAlgorithms.RsaSha256 },
ValidTypes = new[] { JwtConstants.HeaderType },
ValidIssuer = jwtOptions.Issuer,
ValidateIssuer = true,
ValidAudience = jwtOptions.Audience,
ValidateAudience = true,
IssuerSigningKey = jwtOptions.SymmetricSecurityKey,
ValidateIssuerSigningKey = true,
ValidateLifetime = true,
RequireSignedTokens = true,
RequireExpirationTime = true,
NameClaimType = JwtClaimTypes.Name,
RoleClaimType = JwtClaimTypes.Role,
ClockSkew = TimeSpan.Zero,
};
options.SaveToken = true;
options.SecurityTokenValidators.Clear();
options.SecurityTokenValidators.Add(new JwtSecurityTokenHandler());
options.EventsType = typeof(AppJwtBearerEvents);
});
}
}
其中，TokenValidationParameters是和token验证有关的参数配置，进行token验证时需要用到，下面看详细说明：
TokenValidationParameters.ValidAlgorithms：有效的签名算法列表，即验证Jwt的Header部分的alg。默认为null，即所有算法均可。TokenValidationParameters.ValidTypes：有效的token类型列表，即验证Jwt的Header部分的typ。默认为null，即算有算法均可。TokenValidationParameters.ValidIssuer：有效的签发者，即验证Jwt的Payload部分的iss。默认为null。TokenValidationParameters.ValidIssuers：有效的签发者列表，可以指定多个签发者。TokenValidationParameters.ValidateIssuer：是否验证签发者。默认为true。注意，如果设置了TokenValidationParameters.IssuerValidator，则该参数无论是何值，都会执行。TokenValidationParameters.ValidAudience：有效的受众，即验证Jwt的Payload部分的aud。默认为null。TokenValidationParameters.ValidAudiences：有效的受众列表，可以指定多个受众。TokenValidationParameters.ValidateAudience：是否验证受众。默认为true。注意，如果设置了TokenValidationParameters.AudienceValidator，则该参数无论是何值，都会执行。TokenValidationParameters.IssuerSigningKey：用于验证Jwt签名的密钥。对于对称加密来说，加签和验签都是使用的同一个密钥；对于非对称加密来说，使用私钥加签，然后使用公钥验签。TokenValidationParameters.ValidateIssuerSigningKey：是否使用验证密钥验证签名。默认为false。注意，如果设置了TokenValidationParameters.IssuerSigningKeyValidator，则该参数无论是何值，都会执行。TokenValidationParameters.ValidateLifetime：是否验证token是否在有效期内，即验证Jwt的Payload部分的nbf和exp。TokenValidationParameters.RequireSignedTokens: 是否要求token必须进行签名。默认为true，即token必须签名才可能有效。TokenValidationParameters.RequireExpirationTime：是否要求token必须包含过期时间。默认为true，即Jwt的Payload部分必须包含exp且具有有效值。TokenValidationParameters.NameClaimType：设置 HttpContext.User.Identity.NameClaimType，便于 HttpContext.User.Identity.Name 取到正确的值TokenValidationParameters.RoleClaimType：设置 HttpContext.User.Identity.RoleClaimType，便于 HttpContext.User.Identity.IsInRole(xxx) 取到正确的值TokenValidationParameters.ClockSkew：设置时钟漂移，可以在验证token有效期时，允许一定的时间误差（如时间刚达到token中exp，但是允许未来5分钟内该token仍然有效）。默认为300s，即5min。本例jwt的签发和验证均是同一台服务器，所以这里就不需要设置时钟漂移了。SaveToken：当token验证通过后，是否保存到 Microsoft.AspNetCore.Authentication.AuthenticationProperties，默认true。该操作发生在执行完JwtBearerEvents.TokenValidated之后。SecurityTokenValidators：token验证器列表，可以指定验证token的处理器。默认含有1个JwtSecurityTokenHandler。EventsType：这里我重写了JwtBearerEvents。
下面来看事件回调：
public class AppJwtBearerEvents : JwtBearerEvents
{
public override Task MessageReceived(MessageReceivedContext context)
{
// 从 Http Request Header 中获取 Authorization
string authorization = context.Request.Headers[HeaderNames.Authorization];
if (string.IsNullOrEmpty(authorization))
{
context.NoResult();
return Task.CompletedTask;
}
// 必须为 Bearer 认证方案
if (authorization.StartsWith("Bearer ", StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
{
// 赋值token
context.Token = authorization["Bearer ".Length..].Trim();
}
if (string.IsNullOrEmpty(context.Token))
{
context.NoResult();
return Task.CompletedTask;
}
return Task.CompletedTask;
}
public override Task TokenValidated(TokenValidatedContext context)
{
return Task.CompletedTask;
}
public override Task AuthenticationFailed(AuthenticationFailedContext context)
{
Console.WriteLine($"Exception: {context.Exception}");
return Task.CompletedTask;
}
public override Task Challenge(JwtBearerChallengeContext context)
{
Console.WriteLine($"Authenticate Failure: {context.AuthenticateFailure}");
Console.WriteLine($"Error: {context.Error}");
Console.WriteLine($"Error Description: {context.ErrorDescription}");
Console.WriteLine($"Error Uri: {context.ErrorUri}");
return Task.CompletedTask;
}
public override Task Forbidden(ForbiddenContext context)
{
return Task.CompletedTask;
}
}
MessageReceived：当收到请求时回调，注意，此时还未获取到token。我们可以在该方法内自定义token的获取方式，然后将获取到的token赋值到context.Token（不包含Scheme）。只要我们取到的token既非Null也非Empty，那后续验证就会使用该tokenTokenValidated：token验证通过后回调。AuthenticationFailed：由于认证过程中抛出异常，导致身份认证失败后回调。Challenge：质询时回调。Forbidden：当出现403（Forbidden，禁止）时回调。
其中，在MessageReceived中，针对默认获取token的逻辑进行了模拟。
用户登录和注销
用户登录
现在，我们来实现用户登录功能，当登录成功时，向客户端签发一个token。
[Route("api/[controller]")]
[ApiController]
public class AccountController : ControllerBase
{
private readonly JwtBearerOptions _jwtBearerOptions;
private readonly JwtOptions _jwtOptions;
private readonly SigningCredentials _signingCredentials;
public AccountController(
IOptionsSnapshot<JwtBearerOptions> jwtBearerOptions,
IOptionsSnapshot<JwtOptions> jwtOptions,
SigningCredentials signingCredentials)
{
_jwtBearerOptions = jwtBearerOptions.Get(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme);
_jwtOptions = jwtOptions.Value;
_signingCredentials = signingCredentials;
}
[AllowAnonymous]
[HttpPost("login")]
public IActionResult Login([FromBody] LoginDto dto)
{
if (dto.UserName != dto.Password)
{
return Unauthorized();
}
var user = new UserDto()
{
Id = Guid.NewGuid().ToString("N"),
UserName = dto.UserName
};
var token = CreateJwtToken(user);
return Ok(new { token });
}
[NonAction]
private string CreateJwtToken(UserDto user)
{
var tokenDescriptor = new SecurityTokenDescriptor
{
Subject = new ClaimsIdentity(new List<Claim>
{
new Claim(JwtClaimTypes.Id, user.Id),
new Claim(JwtClaimTypes.Name, user.UserName)
}),
Issuer = _jwtOptions.Issuer,
Audience = _jwtOptions.Audience,
Expires = DateTime.UtcNow.AddMinutes(_jwtOptions.ExpiresMinutes),
SigningCredentials = _signingCredentials
};
var handler = _jwtBearerOptions.SecurityTokenValidators.OfType<JwtSecurityTokenHandler>().FirstOrDefault()
?? new JwtSecurityTokenHandler();
var securityToken = handler.CreateJwtSecurityToken(tokenDescriptor);
var token = handler.WriteToken(securityToken);
return token;
}
}
我们目光直接来到CreateJwtToken方法，可以看到熟悉的Subject、Issuer、Audience、Expires等。其中，Subject可以装载多个自定义声明，在生成token时，会将装载的所有声明展开平铺。而另一个需要注意的就是Expires，必须使用基于UTC的时间，默认有效期为1个小时。
下面我们一起生成一个token：
然后我们给WeatherForecastController增加授权（详细配置过程略），并带上token进行请求：
用户注销
当使用JwtBearer认证方案时，由于Jwt的“一次性”和“无状态”特征，用户注销一般是不会在服务端实现的，而是通过客户端来实现，比如客户端从localstorage中删除该token（当然，这只是一种“曲线救国”的实现方式）。
另外，如果你可以接受的话，可以在用户注销时，服务端将Jwt加入缓存黑名单，并将缓存过期时间设置为Jwt的过期时间。
优化改进
改用非对称加密进行Jwt签名和验签
在前面的示例中，我们使用的对称加密算法HmacSha256计算的签名。试想一下，公司内的多个业务项目都会使用该token，因此，为了让每个项目都可以进行身份认证，就需要将密钥分发给所有项目，这就产生了较大的风险。因此，使用非对称加密来计算签名，是一个更加合理地选择：我们使用私钥进行签名，然后只需要将公钥暴露出去用于验签，即可验证token是有效的（没有被篡改）。下面，我们就以RsaSha256为例改进我们的程序。
首先，我们先生成Rsa的密钥对，参考以下示例代码（可在源码AccountController中找到）：
public void GenerateRsaKeyParies(IWebHostEnvironment env)
{
RSAParameters privateKey, publicKey;
// >= 2048 否则长度太短不安全
using (var rsa = new RSACryptoServiceProvider(2048))
{
try
{
privateKey = rsa.ExportParameters(true);
publicKey = rsa.ExportParameters(false);
}
finally
{
rsa.PersistKeyInCsp = false;
}
}
var dir = Path.Combine(env.ContentRootPath, "Rsa");
if (!Directory.Exists(dir))
{
Directory.CreateDirectory(dir);
}
System.IO.File.WriteAllText(Path.Combine(dir, "key.private.json"), JsonConvert.SerializeObject(privateKey));
System.IO.File.WriteAllText(Path.Combine(dir, "key.public.json"), JsonConvert.SerializeObject(publicKey));
}
具体细节不必多说，然后就来改进我们的JwtOptions：
public class JwtOptions
{
public const string Name = "Jwt";
public readonly static double DefaultExpiresMinutes = 30d;
public string Audience { get; set; }
public string Issuer { get; set; }
public double ExpiresMinutes { get; set; } = DefaultExpiresMinutes;
}
由于RSA签名算法的私钥和公钥都保存在另外一个文件中，而且一般这个也不会轻易更改，所以就不把它们加入到选项中了。
接着，修改我们的签名算法和验签算法：
public class Startup
{
public Startup(IConfiguration configuration, IWebHostEnvironment env)
{
Configuration = configuration;
Env = env;
}
public IConfiguration Configuration { get; }
public IWebHostEnvironment Env { get; set; }
public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
services.Configure<JwtOptions>(Configuration.GetSection(JwtOptions.Name));
var jwtOptions = Configuration.GetSection(JwtOptions.Name).Get<JwtOptions>();
var rsaSecurityPrivateKeyString = File.ReadAllText(Path.Combine(Env.ContentRootPath, "Rsa", "key.private.json"));
var rsaSecurityPublicKeyString = File.ReadAllText(Path.Combine(Env.ContentRootPath, "Rsa", "key.public.json"));
RsaSecurityKey rsaSecurityPrivateKey = new(JsonConvert.DeserializeObject<RSAParameters>(rsaSecurityPrivateKeyString));
RsaSecurityKey rsaSecurityPublicKey = new(JsonConvert.DeserializeObject<RSAParameters>(rsaSecurityPublicKeyString));
// 使用私钥加签
services.AddSingleton(sp => new SigningCredentials(rsaSecurityPrivateKey, SecurityAlgorithms.RsaSha256Signature));
services.AddScoped<AppJwtBearerEvents>();
services.AddAuthentication(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme)
.AddJwtBearer(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme, options =>
{
options.TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
{
// ...
// 使用公钥验签
IssuerSigningKey = rsaSecurityPublicKey,
}
}
}
}
至此，就OK了，其他全部都不需要改，以下是一个签发的Jwt示例，缺点是签名部分会比对称加密的长很多（毕竟安全嘛，我们可以忍受O(∩_∩)O哈哈~）：
eyJhbGciOiJSUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJpZCI6Ijk4NTUxMDE3YjBjYTRjOTU5NzNmMTM3Mjk2MWZlZWM2IiwibmFtZSI6InN0cmluZyIsIm5iZiI6MTY0MzIwOTIwNiwiZXhwIjoxNjQzMjA5ODA2LCJpYXQiOjE2NDMyMDkyMDYsImlzcyI6Imh0dHA6Ly9sb2NhbGhvc3Q6NTAwMCIsImF1ZCI6Imh0dHA6Ly9sb2NhbGhvc3Q6NTAwMCJ9.GUCYTBytxv5yqGQFB6B6rlARF3F37CJh27e-qBCKApJShSr8vq-RkPu_o0dtCONKx0y1mb2Aq5hddFQYRFaMICQMeUeCJfaVoi96chsvwahnvx1_Snz4vvaiHSmTGCXm-WAkMJdpFny0zsicegLOrJJyHFecHGENGfWee28xYSi9R70bFJjVLxR965UJzOisi5pIXjemdlipaRhdITAWz-B4iKH_2-sv6j_drkJv2CNsEjOdHxHITN6oVUpP3i4i4PmXhRM7x4O0lKeKGQE9ezZIBtXa16nUCJo0VWDD2QAwWr1akzu99wtOSoJf2MoRETwK7vOOKIbTrNQOQ1WYUQ
对jwt进行加密
我们知道，Jwt中的Header和Payload都是明文，特别是Payload中我们务必不要放置敏感信息。如果你觉得Jwt明文不妥，那你可以选择针对它加一层加密，也就是Jwt标准的另一种实现Jwe。
下面是部分代码实现：
private string CreateJwtToken(UserDto user)
{
var tokenDescriptor = new SecurityTokenDescriptor
{
// ...
EncryptingCredentials = new EncryptingCredentials(new SymmetricSecurityKey(Encoding.UTF8.GetBytes("Total Bytes Length At Least 256!")), JwtConstants.DirectKeyUseAlg, SecurityAlgorithms.Aes128CbcHmacSha256)
};
// ...
}
public class Startup
{
public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
// ...
services.AddAuthentication(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme)
.AddJwtBearer(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme, options =>
{
options.TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
{
// ...
// 如果设置了 ValidAlgorithms，则加上 Aes128CbcHmacSha256
ValidAlgorithms = new[] { SecurityAlgorithms.HmacSha256, SecurityAlgorithms.RsaSha256, SecurityAlgorithms.Aes128CbcHmacSha256 },
// token解密密钥
TokenDecryptionKey = new SymmetricSecurityKey(Encoding.UTF8.GetBytes("Total Bytes Length At Least 256!"))
}
}
}
}
下方是一个Jwe示例：
eyJhbGciOiJkaXIiLCJlbmMiOiJBMTI4Q0JDLUhTMjU2IiwidHlwIjoiSldUIn0..KsIPh-Wx8TOpgNBZ5xINSA.zgqErSkpnTaWJ1TsPoIKrgpP_2uR-Orjbn54Wo4FeGmIPczk2X8N8qx4zWe9CGztrFLxeoWvYLlfRwclfglmKE9372delByVwK_C-u7cFN2TaZ183JTWYTyJVPANTC1WtuEzSe3NEKjfRoC9QN7SN4z9cJ-CtIPb1t17XB0gG0fc7T9UARZ1eIUIfnCXROAyX96qB6ABJ5Xy8wrrYkA2m5OqqLyAd8FbZfcK_rii_lbXNZsbcfgNPBQGEO6lOdBg4I3nQv9A6cqGj9qTnsIH89Dx7mBnkx0W7C9UHtZQsNTG71VSzG8g_KVifC-oO62wrOYeh48y5l4czeIWlAl4GCZpnUQmq4Y_2cw2brgG4WV7FRYPch4RMeTB6y9qrm6Rj8TvZbf_hZ51yvDYvPPVUjMiM1xo5_KLXVZa3w5aEGB4jGynVXwuGDV8XwS8sTjEkziFfA85TWPq_N-ENm4R9K_HUzwfgpGYzM-Nrf54GV8BXpnpapTc-jWij3MOpsjeyzqXdG5t-JB9_Xt7-BadjMakiU1WihiigiYMGQBmkG30r8e6bGcoL58Ytb6PQZ3NfHGCakV5LRGWFOjRUSP7X_xC0xWhrH2R6LhD1QESoE8GsTU-YS9JUREECcD2b9gXx0JxYp2mGdCkKRspajhEj4b04PV-hpr0bNSf59GkSMu_KhHuF5AcWfLSqwzACMvsvW6QvIQTzm6gXy8Ui2N80JCGkp_LzW23RFwCPSlQQ7c7S3A-Ltd_AaDQJ9C5B-To_PHESy9bUKhU-MV2tbfSST-vBeJkSn4kz4feEWcG59A.KULA_w3_XEIIKhAHKuFpsw
它的头部就是：
{
"alg": "dir",
"enc": "A128CBC-HS256",
"typ": "JWT"
}
借助服务端增强Jwt认证方案
虽然无状态的Jwt使用非常方便快捷，但是适用场景非常有限。为了能够实现更多功能，就需要借助服务端，从而导致Jwt的无状态性被破坏。
在进入该主题之前，请先确认一下，前面所提到的Jwt的用法已经完全符合你的要求，如果是，那么恭喜你，Jwt绝对是最适合的方案。如果不是，且你认为需要服务端，那么你应该考虑一下，你是否真的需要服务端。因为这样会使得认证行为趋向于cookie + session，从而使得认证方案的复杂性大幅增加。
Jwt静默刷新实现自动续租
试想一下以下场景：用户登录后获得了一个有效期为30分钟的token，然后填写一个表单时，花费了40分钟，点击提交后，系统要求他重新登录并重新填写表单，你猜他会不会很开心？因此，就像我们之前基于Cookie进行身份认证时一样，在基于Jwt的认证方案中，我们也需要一种类似滑动过期的机制来实现自动续租。
那该如何设计这个自动续租方案呢？你可能会想到以下的方案：
- 方案一：每次通过认证的请求都会重新签发Jwt来重置过期时间。该方案虽然能够解决问题，但是太过暴力，也有严重的性能问题。
- 方案二：jwt即将过期时才重新签发Jwt。乍一看，这方案看起来可行，但是实际上Jwt能否刷新完全是看运气。假设签发了一个有效期为30分钟的Jwt，我们打算在它有效期仅剩5分钟时重新签发。如果用户在最后5分钟内请求了，那会刷新Jwt，但是如果没有请求，那就需要用户重新登录，体验大打折扣。
- 方案三：签发的Jwt中忽略过期时间，而将Jwt（或JwtId）记录在服务端的分布式缓存，并设置过期时间。然后，在初次进行Jwt校验时，不使用默认的校验器校验过期时间，校验通过后，再与缓存中的过期时间进行比对，如果有效则重置过期时间。该方案确实可行，不过这要求Jwt在有效期内才能进行刷新。
目前使用最广泛的一种方式是引入一个称为refresh token的参数。大概流程是在签发access token时，同时生成一个refresh token，并且refresh token的有效期要比access token长很多。然后，客户端将两个token都保存下来。当客户端请求服务端使用，若发现服务端返回“access token过期”的错误，那么就加上之前保存下来的refresh token请求服务端刷新token，服务端会签发一套全新的access token和refresh token给客户端。
其中，为了保证refresh token的安全性和有效性，除了发送给客户端外，还需要在服务端存储一份，并设置过期时间。这实际上在一定程度上破坏了Jwt的“无状态”性（个人认为可以接受）。
首先，就先定义要返回给客户端的数据类型：
public class AuthTokenDto
{
// jwt token
public string AccessToken { get; set; }
// 用于刷新token的刷新令牌
public string RefreshToken { get; set; }
}
接下来定义token的服务接口IAuthTokenService和服务实现AuthTokenService：
public interface IAuthTokenService
{
Task<AuthTokenDto> CreateAuthTokenAsync(UserDto user);
Task<AuthTokenDto> RefreshAuthTokenAsync(AuthTokenDto token);
}
public class AuthTokenService : IAuthTokenService
{
private const string RefreshTokenIdClaimType = "refresh_token_id";
private readonly JwtBearerOptions _jwtBearerOptions;
private readonly JwtOptions _jwtOptions;
private readonly SigningCredentials _signingCredentials;
private readonly IDistributedCache _distributedCache;
private readonly ILogger<AuthTokenService> _logger;
public AuthTokenService(
IOptionsSnapshot<JwtBearerOptions> jwtBearerOptions,
IOptionsSnapshot<JwtOptions> jwtOptions,
SigningCredentials signingCredentials,
IDistributedCache distributedCache,
ILogger<AuthTokenService> logger)
{
_jwtBearerOptions = jwtBearerOptions.Get(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme);
_jwtOptions = jwtOptions.Value;
_signingCredentials = signingCredentials;
_distributedCache = distributedCache;
_logger = logger;
}
}
接下来，我们来实现CreateAuthTokenAsync方法：
public async Task<AuthTokenDto> CreateAuthTokenAsync(UserDto user)
{
var result = new AuthTokenDto();
// 先创建refresh token
var (refreshTokenId, refreshToken) = await CreateRefreshTokenAsync(user.Id);
result.RefreshToken = refreshToken;
// 再签发Jwt
result.AccessToken = CreateJwtToken(user, refreshTokenId);
return result;
}
private async Task<(string refreshTokenId, string refreshToken)> CreateRefreshTokenAsync(string userId)
{
// refresh token id作为缓存Key
var tokenId = Guid.NewGuid().ToString("N");
// 生成refresh token
var rnBytes = new byte[32];
using var rng = RandomNumberGenerator.Create();
rng.GetBytes(rnBytes);
var token = Convert.ToBase64String(rnBytes);
// 设置refresh token的过期时间
var options = new DistributedCacheEntryOptions();
options.SetAbsoluteExpiration(TimeSpan.FromDays(_jwtOptions.RefreshTokenExpiresDays));
// 缓存 refresh token
await _distributedCache.SetStringAsync(GetRefreshTokenKey(userId, tokenId), token, options);
return (tokenId, token);
}
private string CreateJwtToken(UserDto user, string refreshTokenId)
{
if (user is null) throw new ArgumentNullException(nameof(user));
if (string.IsNullOrEmpty(refreshTokenId)) throw new ArgumentNullException(nameof(refreshTokenId));
var tokenDescriptor = new SecurityTokenDescriptor
{
Subject = new ClaimsIdentity(new List<Claim>
{
new Claim(JwtClaimTypes.Id, user.Id),
new Claim(JwtClaimTypes.Name, user.UserName),
// 将 refresh token id 记录下来
new Claim(RefreshTokenIdClaimType, refreshTokenId)
}),
Issuer = _jwtBearerOptions.TokenValidationParameters.ValidIssuer,
Audience = _jwtBearerOptions.TokenValidationParameters.ValidAudience,
Expires = DateTime.UtcNow.AddMinutes(_jwtOptions.AccessTokenExpiresMinutes),
SigningCredentials = _signingCredentials,
};
var handler = _jwtBearerOptions.SecurityTokenValidators.OfType<JwtSecurityTokenHandler>().FirstOrDefault()
?? new JwtSecurityTokenHandler();
var securityToken = handler.CreateJwtSecurityToken(tokenDescriptor);
var token = handler.WriteToken(securityToken);
return token;
}
private string GetRefreshTokenKey(string userId, string refreshTokenId)
{
if (string.IsNullOrEmpty(userId)) throw new ArgumentNullException(nameof(userId));
if (string.IsNullOrEmpty(refreshTokenId)) throw new ArgumentNullException(nameof(refreshTokenId));
return $"{userId}:{refreshTokenId}";
}
下面看一下效果：
接着，实现RefreshAuthTokenAsync方法：
public async Task<AuthTokenDto> RefreshAuthTokenAsync(AuthTokenDto token)
{
var validationParameters = _jwtBearerOptions.TokenValidationParameters.Clone();
// 不校验生命周期
validationParameters.ValidateLifetime = false;
var handler = _jwtBearerOptions.SecurityTokenValidators.OfType<JwtSecurityTokenHandler>().FirstOrDefault()
?? new JwtSecurityTokenHandler();
ClaimsPrincipal principal = null;
try
{
// 先验证一下，jwt是否真的有效
principal = handler.ValidateToken(token.AccessToken, validationParameters, out _);
}
catch (Exception ex)
{
_logger.LogWarning(ex.ToString());
throw new BadHttpRequestException("Invalid access token");
}
var identity = principal.Identities.First();
var userId = identity.Claims.FirstOrDefault(c => c.Type == JwtClaimTypes.Id).Value;
var refreshTokenId = identity.Claims.FirstOrDefault(c => c.Type == RefreshTokenIdClaimType).Value;
var refreshTokenKey = GetRefreshTokenKey(userId, refreshTokenId);
var refreshToken = await _distributedCache.GetStringAsync(refreshTokenKey);
// 验证refresh token是否有效
if (refreshToken != token.RefreshToken)
{
throw new BadHttpRequestException("Invalid refresh token");
}
// refresh token用过了记得清除掉
await _distributedCache.RemoveAsync(refreshTokenKey);
// 这里应该是从数据库中根据 userId 获取用户信息
var user = new UserDto()
{
Id = userId,
UserName = principal.Identity.Name
};
return await CreateAuthTokenAsync(user);
}
下面看一下效果：
注意：引入刷新令牌后，要记得在用户注销将当前Jwt的刷新令牌清除，或修改密码后将该用户的刷新令牌清空。
最后，解释几个问题：
-
为什么Jwt中保存了refresh token id？直接保存refresh token不行吗？
保存refresh token id是为了实现一个用户对应多个refresh token，这适用于同一用户在多客户端登录的情况。
不能直接保存refresh token，由于Jwt是明文，所以这容易导致refresh token泄漏，从而导致他人可以在用户不知情的情况下申请access token。
-
为什么要设计为一个用户对应多个refresh token？
这适用于同一用户在多客户端登录的情况，防止其中一个客户端刷新了token，导致其他客户端无法刷新。
处理不同系统要求Jwt认证信息中存储不同的字段信息
假设有以下场景：商城采购系统和收货系统属于同一电商平台，使用的均是同一套基于JwtBearer的认证方案，现在，收货系统需要在认证信息中新增角色信息和每日最大收货次数信息，便于快速获取。
方案可能多种多样，比如就在Jwt签发时，将角色信息和每日最大收货次数存储到Jwt中，虽然这能够解决问题，但显然会使得Jwt存储很多冗余数据，在系统越来越多的情况下，就显得无法接受。
以下是我所想到的一种较为合理的方案：首先，角色信息较为通用，大部分系统都会用到，所以建议将角色信息加入到Jwt中存储，而对于每日最大收货次数，更倾向于收货系统使用，所以这条信息由收货系统在服务端进行维护，例如以用户Id为Key，记入分布式缓存中。
Jwt+服务端 vs Cookie + Session
很多人会说，我使用Jwt就是因为它的无状态性，既然它也要结合服务端，那我为啥不干脆就使用Cookie + Session？
确实，如果你的系统前端是H5，客户端均是浏览器，且后续也基本不可能发生改变，那你可以把扇Jwt俩大耳刮子，并把它踢出家门，因为Cookie + Session绝对是你的首选。
但是，如果你的系统包含了H5、小程序、Native App等，由于其中某些客户端不支持Cookie，所以Cookie就丧失了它的优势，此时使用Cookie还是Jwt貌似差别都不大，但是Jwt可以实现自动续租。实际上，我比较推荐的做法是Jwt + Cookie，即将Jwt保存在Cookie中，这样，在H5应用中，仍然利用Cookie机制传递认证信息，而在其他不支持Cookie的客户端中，则直接使用Jwt（通过Authorization Header），这样可以保证认证行为的统一。
防止Jwt泄露
文章最后，我们就来看一下如何防止Jwt泄漏吧。
假设Jwt泄露了，那么他人就可以使用你的身份访问服务器进行敏感操作，不过这相对来说，还好，因为Jwt过期了也就失效了。但是，如果refresh token也泄露了，那就会产生更加严重的后果，他人就可以通过refresh token无限制的获取到最新的token。
看完上面这段话，是不是不敢用Jwt了？别怕，任何认证方案都会有导致这种情况出现的可能，例如，通过用户名和密码登录时，不还是在请求过程中有用户名和密码被窃取的可能。
既然没有绝对的安全保护措施，那我们只有尽量让它安全，以下是两点建议：
- 使用Https协议
- 设置较短的Jwt有效期
