聊聊 JSON Web Token (JWT) 和 jwcrypto 的使用

哈喽大家好，我是咸鱼。

最近写的一个 Python 项目用到了 jwcrypto 这个库，这个库是专门用来处理 JWT 的，JWT 全称是 JSON Web Token ，JSON 格式的 Token。

今天就来简单入门一下 JWT。

官方介绍：https://jwt.io/introduction

先聊聊 Token

Token 的意思是令牌，通常用于身份验证。

例如，当客户端首次登录服务器时，服务器会生成一个 Token 并返回给客户端。此后，客户端只需在请求数据时带上这个 Token，无需再次提供用户名和密码。

为什么要有 Token ？

我们知道 HTTP 请求是无状态的，也就是说服务器无法识别每个请求的发起者（例如，我登录淘宝网后刷新页面，会要求我重新输入用户名和密码进行登录）。

为了解决这个问题，出现了一种解决方案：即服务器为每个客户端分配一个 session。当客户端发起请求时带上这个 session，服务器就能识别请求的发起者。

然而，这种方法很快暴露了一些弊端。首先是开销问题。服务器需要保存所有客户端的 session，如果访问的客户端数量增加，服务器将需要保存成千上万个 session，带来巨大的存储开销。

其次是跨域问题。例如，在集群架构中有两台服务器 A 和 B。如果咸鱼第一次请求到了 A 服务器，A 服务器保存了咸鱼的 session，但如果下一次请求被分配到 B 服务器，B 服务器上没有咸鱼的 session，该怎么办？

一种解决方案是使用 session 粘滞（session sticky）方法，使咸鱼的每次请求都打到同一个服务器（如 A 服务器）。但如果 A 服务器宕机了，请求就不得不转到 B 服务器，依然无法解决问题。

于是，有人提出了另一种思路：为什么要让服务器保存 session 呢？可以让每个客户端自己保存！服务器只负责生成 session，不负责保存。

但是，如果不保存 session，如何区分客户端？又如何验证 session 是服务器生成的呢？

这时，人们想到了让服务器生成一个 token。这个 token 是通过服务器独有的密钥和算法（例如 RS256 算法）生成的，并且服务器不会保存这个 token。

这样，客户端发起请求时带上这个 token，服务器收到后会用相同的算法和密钥进行验证。如果 token 匹配，服务器就能验证客户端的身份。

再聊聊 JWT

简单介绍了 token，我们来看看 JWT。

JWT（JSON Web Token）是一种在网络中以 JSON 格式安全地传输信息的令牌。其原理是：服务器认证之后，生成一个 JSON 格式的 token，并将其发回给用户，类似下面这样：

{
  "alg": "RSA",
  "name": "咸鱼",
  "role": "管理员",
  "exp": "2024-05-20T00:00:00Z"
}

之后客户端与服务器通信的时候都通过这个 JSON Token 来验证身份，同时为了防止用户篡改数据，服务器在生成这个对象的时候，会加上签名。

优点：

紧凑性：JWT 被设计成体积较小，便于 URL、POST 参数或 HTTP 头部传输。
自包含：JWT 负载中包含所有必要的信息，不需要在每次请求时访问数据库。
安全性：JWT 可以签名（使用 HMAC 或 RSA 算法），确保数据的完整性和真实性。通过加密（例如 JWE）还可以保证数据的机密性。

结构组成：

JWT 由 Header、Payload、Signature（签名）三部分组成，其中 Header 和 Payload 都是 JSON 格式（ JWT 中的 J ）：

Header : 描述 JWT 的元数据，定义了生成签名的算法以及 Token 的类型。
Payload : 用来存放实际需要传递的数据
Signature（签名）：服务器通过 Payload、Header 和一个密钥 (Secret) 使用 Header 里面指定的签名算法（默认是 HMAC SHA256）生成。

编码之后的 JWT 形式是一个很长的字符串，中间用点（.）分隔成三个部分，写成一行（里面没有换行），类似下面这样：

Header.Payload.Signature

关于 JWT 三部分的内容就不多讲了，官网有详细介绍。

jwcrypto 使用

我们可以使用 Python 的 jwcrypto 库来生成和验证 JWT、加密和解密数据，以及签名和验证签名等操作。

jwcrypto 提供了一系列功能，包括但不限于：

生成和验证 JWT：可以使用 jwcrypto 生成 JWT，并在接收端验证 JWT 的有效性。
加密和解密数据：支持使用不同的算法对数据进行加密和解密，例如 AES、RSA 等。
签名和验证签名：支持使用不同的算法对数据进行签名，并在接收端验证签名的有效性。
密钥管理：支持生成和管理密钥对、公钥和私钥，以及密钥的导入和导出。

安装 jwcrypto：

pip install jwcrypto

生成一个带有签名的 JWT，其中包含了指定的用户 ID：

from jwcrypto import jwt,jwk
# 使用 RSA 算法生成一个 2048 位的密钥对。
key = jwk.JWK.generate(kty='RSA', size=2048)
payload = {'user_id': 123}
# 创建一个 JWT 对象，并指定其头部（header）为使用 RS256 算法进行签名。
token = jwt.JWT(header={'alg': 'RS256'}, claims=payload)
# 使用之前生成的密钥对 JWT 进行签名。
token.make_signed_token(key)

生成 RSA 密钥对并导出公私钥：

from jwcrypto import jwk
# 生成 RSA 密钥对
key = jwk.JWK.generate(kty='RSA', size=2048)
# 导出公钥和私钥
public_key = key.export_public()
private_key = key.export_private()
# 打印公钥和私钥
print("公钥:")
print(public_key)
print("\n私钥:")
print(private_key)