本文详细介绍了JWT单点登录原理，包括JWT的基础概念、组成结构及其在单点登录中的应用，同时还讲解了JWT令牌的生成、验证与刷新过程。文章还提供了实例操作和常见问题解决方案，帮助读者全面理解JWT单点登录机制。

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传输信息。JWT通常用于身份验证和信息交换，它是一个紧凑的、自包含的JSON对象，可以在客户端和服务器之间进行安全传输。JWT由三部分组成，分别用点分隔：头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature）。

JWT的组成结构

头部（Header）

头部由两部分组成：令牌的类型，即 "JWT"，以及所使用的签名算法，如 "HS256"（HMAC 使用 SHA-256 算法）。头部被 Base64 编码为字符串 encodedHeader。

{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}

载荷（Payload）

载荷是载有声明的主体。JWT 标准对载荷没有强制要求，但通常载荷包括一些标准的声明，如：

• iss：JWT签发者
• sub：JWT所面向的用户
• aud：接收JWT的一方
• exp：Token的过期时间
• nbf：从何时开始，该token才被认为是有效的
• iat：token的签发时间
• jti：JWT的唯一标识符

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "admin": true,
  "exp": 1621539600
}

签名（Signature）

签名由头部（Header）、载荷（Payload）、以及一个密钥通过签名算法生成。这个签名验证了消息的发送方和完整性。对于 HMAC 算法，这个密钥是保密的；对于 RSA 或 EC 代数，密钥是公钥和私钥。

签名部分的生成公式如下：

HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret
)

最终得到的 JWT 的形式如下：

encodedHeader.base64UrlEncode(payload).signature

JWT的优势和应用场景

• 安全性：JWT令牌包含必要的验证数据，不需要在服务器上保存令牌，减少了服务器的存储负担。
• 可携带性：JWT是一种自包含的令牌，可以在请求之间安全地携带，无需在每次请求时查询数据库或缓存。
• 适用性：JWT适用于任何需要在客户端和服务端之间传输数据的场景，尤其适合前后端分离的Web应用。
• 移动端应用：JWT适用于移动应用，因为它们不需要服务器端的会话管理。

什么是单点登录

单点登录（Single Sign-On，SSO）允许用户使用一组凭据（用户名和密码）登录一个系统，然后自动登录到该系统所信任的所有其他系统，而无需再次输入凭据。这大大提高了用户体验，减少了重复输入密码的需求。

单点登录的优势

• 用户体验：用户仅需一次登录，即可访问所有相关系统。
• 安全性：统一的认证机制降低了安全风险。
• 简化管理：集中管理用户身份，简化了用户管理过程。

单点登录的常见实现方式

• 基于Cookie的SSO：通过Cookie在多个系统之间传递登录状态。
• 基于Token的SSO：通过Token（如JWT）在不同系统之间共享用户身份信息。
• 基于OAuth的SSO：通过OAuth协议实现不同系统的用户身份认证。

创建JWT令牌

1. 设置Header

   定义JWT的类型和签名算法。

   {
    "alg": "HS256",
    "typ": "JWT"
   }

2. 设置Payload

   包含用户信息、过期时间等。

   {
    "sub": "1234567890",
    "name": "John Doe",
    "admin": true,
    "exp": 1621539600
   }

3. 生成签名

   使用Header、Payload和密钥生成签名。

   HMACSHA256(
    base64UrlEncode(header) + "." +
    base64UrlEncode(payload),
    secret
   )

例如，使用Node.js生成JWT：

const jwt = require('jsonwebtoken');

const token = jwt.sign(
  {
    sub: "1234567890",
    name: "John Doe",
    admin: true,
    exp: 1621539600
  },
  'secret',
  {
    algorithm: 'HS256',
    issuer: 'yourdomain.com',
    audience: 'yourapp.com'
  }
);

console.log(token);

令牌验证与解析

1. 解码Header和Payload

   使用Base64解码头部和载荷，验证其合法性和有效性。

   base64UrlDecode(encodedHeader)
   base64UrlDecode(encodedPayload)

2. 验证签名

   使用Header、Payload和密钥重新计算签名，与发送的签名进行比较。

   HMACSHA256(
    base64UrlEncode(header) + "." +
    base64UrlEncode(payload),
    secret
   )

例如，使用Node.js验证JWT：

const jwt = require('jsonwebtoken');

jwt.verify(token, 'secret', (err, decoded) => {
  if (err) {
    console.log('验证失败');
    console.log(err);
  } else {
    console.log('验证成功');
    console.log(decoded);
  }
});

令牌的存储与刷新

1. 存储令牌

   将JWT令牌存储在浏览器的localStorage或sessionStorage中，或通过Cookie传递。

   localStorage.setItem('token', token);

2. 刷新令牌

   当JWT令牌即将过期时，可以请求刷新令牌以获取新的JWT令牌。

   fetch('/refresh-token', {
    method: 'POST',
    headers: {
      'Content-Type': 'application/json',
      'Authorization': 'Bearer ' + token
    }
   })
   .then(response => response.json())
   .then(data => {
    console.log('刷新的令牌：', data.token);
   });

准备工作

1. 环境搭建

   安装必要的库和工具，如Node.js和Express，确保服务器可以正常运行。

   npm install express jsonwebtoken

2. API设计

   设计API接口，包括登录、验证、刷新令牌等。

   POST /login
   POST /validate
   POST /refresh-token

生成JWT令牌的过程

1. 用户登录

   用户提交登录请求，服务器验证用户名和密码，生成JWT令牌。

   const express = require('express');
   const jwt = require('jsonwebtoken');
   const app = express();
   
   app.post('/login', (req, res) => {
    const { username, password } = req.body;
   
    // 验证用户名和密码
    // ...
   
    const token = jwt.sign(
      {
        sub: username,
        exp: Math.floor(Date.now() / 1000) + (60 * 60)
      },
      'secret',
      {
        algorithm: 'HS256'
      }
    );
   
    res.json({ token });
   });

2. 返回令牌

   返回生成的JWT令牌给客户端。

   res.json({ token });

服务器端验证与解析令牌

1. 验证令牌

   使用JWT库验证令牌的签名和有效期。

   app.post('/validate', (req, res) => {
    const token = req.header('Authorization').split(' ')[1];
   
    jwt.verify(token, 'secret', (err, decoded) => {
      if (err) {
        return res.status(401).json({ message: '无效的令牌' });
      }
   
      res.json({ message: '令牌有效', decoded });
    });
   });

2. 解析令牌

   解析JWT载荷中的信息。

   const decoded = jwt.verify(token, 'secret');
   console.log(decoded);

客户端存储与发送令牌

1. 存储令牌

   将JWT令牌存储在浏览器的localStorage或sessionStorage中。

   fetch('/login', {
    method: 'POST',
    headers: {
      'Content-Type': 'application/json'
    },
    body: JSON.stringify({ username: 'john', password: 'secret' })
   })
   .then(response => response.json())
   .then(data => {
    localStorage.setItem('token', data.token);
   });

2. 发送令牌

   在后续请求中发送JWT令牌。

   fetch('/validate', {
    method: 'POST',
    headers: {
      'Content-Type': 'application/json',
      'Authorization': 'Bearer ' + localStorage.getItem('token')
    }
   })
   .then(response => response.json())
   .then(data => {
    console.log(data.message);
   });

刷新令牌的实现

app.post('/refresh-token', (req, res) => {
  const token = req.header('Authorization').split(' ')[1];

  jwt.verify(token, 'secret', (err, decoded) => {
    if (err) {
      return res.status(401).json({ message: '无效的令牌' });
    }

    const newToken = jwt.sign(
      {
        sub: decoded.sub,
        exp: Math.floor(Date.now() / 1000) + (60 * 60)
      },
      'secret',
      {
        algorithm: 'HS256'
      }
    );

    res.json({ token: newToken });
  });
});

JWT令牌安全性问题

• 密钥泄露：确保密钥的安全存储，避免密钥泄露导致令牌伪造。
• 令牌篡改：使用安全的算法（如HS256、RS256）防止令牌被篡改。
• 跨站请求伪造（CSRF）：为每个令牌生成CSRF令牌，保证令牌的唯一性。

令牌过期的处理方案

• 刷新令牌：当令牌即将过期时，请求刷新令牌以获取新的JWT令牌。
• 重定向到登录页面：当令牌过期时，重定向用户到登录页面。
• 自动刷新令牌：实现自动刷新令牌的功能，避免用户频繁登录。

跨域请求时的注意事项

• CORS：配置CORS策略，允许跨域请求。
• 令牌传输：使用Authorization头部或Cookie传输JWT令牌。
• 安全性：确保在跨域请求中，令牌的安全传输和验证。

JWT单点登录的优缺点回顾

优点：

• 安全性：JWT令牌本身包含签名，安全性高。
• 可携带性：JWT令牌可以轻易携带，无需依赖Cookie。
• 适用性：适用于各种Web应用，尤其是前后端分离的应用。

缺点：

• 安全性依赖密钥：如果密钥泄露，JWT的安全性将受到影响。
• 令牌大小：JWT令牌大小可能较大，不适合频繁传输。

学习JWT单点登录的进阶资源推荐

• 慕课网：慕课网提供了丰富的JWT和单点登录相关的课程，适合从基础到进阶的学习。
• 官方文档：阅读JWT和相关库（如jsonwebtoken）的官方文档，深入了解其功能和使用方法。
• 实践项目：通过实际项目开发，进一步理解JWT单点登录的实现和优化。

JWT单点登录是一种高效、安全的身份验证机制，能够显著提升用户体验和系统安全性。通过学习JWT和单点登录的基本概念和实现方法，开发者可以更好地设计和实现各种Web应用的身份验证系统。