1. 引言

在現代 Web 應用中，身份驗證（Authentication）是保護應用程式和資源的關鍵性質之一。它確保只有合法的使用者可以訪問受保護的內容，並為應用程式提供了一個安全的方式來識別和驗證使用者。

本文將深入探討如何實現身份驗證，並重點關注 JSON Web Tokens（JWT）這一現代身份驗證方法的使用。JWT 是一種開放標準（RFC 7519），它使用 JSON 物件來編碼和傳輸訊息，特別適用於分散式應用程式和 API 身份驗證。

我們將首先介紹 JWT 的基本概念，包括它的組成和工作原理。然後，我們將探討如何在 Spring Security 中整合 JWT，以實現強大的身份驗證機制。我們將提供實用的示例和配置，幫助您了解如何使用 JWT 來保護您的後端 API，同時限制資源的訪問。除此之外，我們還將討論 JWT 的刷新令牌和登出功能，以及如何在不同場景中選擇使用 JWT 身份驗證或傳統基於 Session 的驗證方式。

無論您是正在開發全新的應用程式，還是想要改進現有應用程式的安全性，本文都將為您提供有價值的信息和最佳實踐。讓我們開始探索 JWT 身份驗證的世界吧。

2. JWT 基本概念

JSON Web Token（JWT）是一種用於安全傳輸信息的開放標準，通常用於在網路上傳輸身份驗證和授權信息。JWT被廣泛應用於現代Web應用程式，特別是在分散式和微服務架構中。

JWT 的結構
一個JWT通常由三個部分組成，並且這些部分使用 句點" . " 進行分隔：

Header.Payload.Signature

1. Header（標頭）：JWT的標頭部分通常由兩個部分組成，它們也是JSON物件。第一部分是“alg”（algorithm）指定了用於生成簽名的加密算法，例如HMAC SHA256或RSA。第二部分是“typ”（type）指定了令牌的類型，通常設置為“JWT”。

   • 範例 Header：

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

2. Payload（負載）：JWT的負載部分包含稱為聲明（claims）的信息，這些聲明包含有關使用者或實體的數據，以及其他元數據。有兩種類型的聲明：

   • Registered claims：這些是一些預定義的聲明，常見的標準聲明類型：
     1. "iss"（Issuer）：JWT的簽發者。
     2. "sub"（Subject）：JWT所面向的使用者或實體。
     3. "aud"（Audience）：JWT的受眾，即預期接收JWT的一方。
     4. "exp"（Expiration Time）：JWT的過期時間。在這之後，JWT將不再有效。
     5. "nbf"（Not Before）：JWT的生效時間，即在此時間之前JWT將不被接受。
     6. "iat"（Issued At）：JWT的簽發時間。
     7. "jti"（JWT ID）：JWT的唯一標識符。
   • Private claims：私有聲明是由JWT的簽發者自行定義的，用於包含應用程式特定的信息。這些聲明在JWT中不是預定義的，但可以根據需要添加。例如，你可以添加像 "role"（使用者角色）等自定義聲明，以便在應用程式中使用。
   • 範例 Payload：

     {
         "sub": "1234567890",
         "name": "Ian Liu",
         "iat": 1516239022,
         "exp": 1696221000
     }
     

3. Signature（簽名）：簽名部分是將標頭和負載進行簽名後的結果，以確保令牌在傳輸過程中未被篡改。簽名通常使用秘密的金鑰（或稱為密鑰）進行生成和驗證。

   JWT 的編碼
   JWT中的每一部分都是以Base64 URL安全編碼進行表示，這意味著它們可以被輕鬆地在HTTP環境中傳輸，且不會因為特殊字符而出現問題。編碼後的標頭、負載和簽名會用句點（.）分隔開，形成JWT的最終字串。

   • 編碼前的JWT結構：

   Header.Payload.Signature
   

   • 編碼後的JWT示例：

   eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IklhbiBMaXUiLCJpYXQiOjE1MTYyMzkwMjIsImV4cCI6IjE2OTYyMjEwMDAifQ.ZjGNjbuixzceLp3oteT-jaz6NMAUDYvfNDSovMIUcTo
   

4. JWT線上解析工具

https://jwt.io/
這個線上工具可用於對JWT進行解析和編碼

3. 選擇 JWT 或 Session

在實現身份驗證和授權的過程中，您可能需要選擇使用基於 Session 還是基於 JSON Web Token（JWT）的方式。每種方式都有其優點和缺點，取決於您的應用程式需求和場景。

基於 Session 的身份驗證

• 優點：
  • 安全性：Session 存儲在伺服器端，因此可以更容易保護敏感信息。密碼等敏感數據通常不會存儲在客戶端。
  • 易於管理：Session 可以在伺服器端集中管理。當需要對使用者進行登入、登出、權限管理等操作時，可以輕鬆實現。
  • 有效期控制：可以輕鬆設定 Session 的有效期，以實現一定時間內的持久登入，或者實現自動登出功能。
• 缺點：
  • 伺服器負載：伺服器需要在內存中存儲 Session 數據，尤其在大規模應用中可能會增加伺服器的負載。
  • 伺服器集群問題：在伺服器集群環境中，需要考慮 Session 的共享和同步，以確保不同伺服器之間的一致性。
  • 可擴展性：對於大規模應用，需要考慮伺服器集群的擴展性，以應對高流量。

基於 JWT 的身份驗證

• 優點：
  • 無狀態性：JWT 是無狀態的，每個請求都包含了身份驗證信息，伺服器無需存儲 Session，這使得伺服器可以更輕鬆擴展。
  • 跨域支持：JWT 可以輕鬆在不同域名的伺服器之間共享身份驗證信息，這對於跨域請求非常有用。
  • 性能：由於不需要在伺服器端存儲 Session，JWT 的性能通常較好，特別是在大規模應用中。
• 缺點：
  • 安全性：JWT 中的 payload 使用的是 base64 編碼，因此在 JWT 中不能存儲敏感信息。Session 存儲在伺服器端，相對來說更安全。
  • 一次性：JWT 是一次性的，無法在有效期內撤銷或修改。要實現撤銷功能，需要額外的機制。
  • 過期管理：JWT 過期後，必須重新簽發新的 JWT。這可能需要更多的邏輯來處理過期的情況。

選擇的理由
您應該根據您的應用程式需求和場景來選擇基於 Session 還是基於 JWT 的身份驗證方式：

• 選擇基於 Session 的場景：如果您的應用程式需要高度的安全性，並且您可以控制伺服器集群，則基於 Session 可能是一個不錯的選擇。這特別適用於傳統的 Web 應用程式。
• 選擇基於 JWT 的場景：如果您的應用程式需要無狀態性，或者需要支持跨域請求，或者需要高性能，則基於 JWT 可能更適合。這特別適用於現代的單頁應用（SPA）和分佈式應用程式。

無論您選擇哪種方式，都應該謹慎設計和實施身份驗證機制，並遵循最佳實踐以確保應用程式的安全性和效率。

下一節將深入介紹如何在 Spring Security 中實現 JWT 身份驗證。我們將提供具體的示例配置文件和設置，包括 JWT 的簽發和驗證過程，以確保應用程式的安全性。