什麼是 JSON Web Token (JWT)？
JSON Web Token (JWT) 在現代 Web 應用及開放標準中被廣泛使用，例如 OpenID Connect，以促進認證 (Authentication) 和授權 (Authorization)。儘管官方的 RFC 7519 是一個重要的參考資料，但對於初學者來說理解起來可能會有挑戰。在本文中，我們將集中說明 JWT 的核心概念，並用簡單的語言和示例來展示它們。
為什麼我們需要 JWT？
當今常會使用 JSON 在雙方之間交換數據。想像一個代表用戶的 JSON 物件：
{
"sub": "foo",
"name": "John Doe"
}
sub是 “subject” 的簡寫，是 OpenID Connect 中的 標準 claim ，用來表示用戶標識符 (user ID)。
我們如何保證這個 JSON 物件的完整性？換句話說，我們如何確保數據在傳輸過程中沒有被篡改？一個常見的解決方案是使用數字簽名。例如，我們可以使用 公鑰加密 ：服務器使用其私鑰簽署這個 JSON 物件，然後客戶端可以使用服務器的公鑰驗證這個簽名。
簡而言之，JWT 提供了一個標準化的方法來表示 JSON 物件及其簽名。
JWT 也可以用來加密 JSON 物件，但這不是本文的重點。
JWT 的格式
由於創建數字簽名有許多算法，因此需要指定用於 JWT 簽名的算法。這是通過構建一個 JSON 物件來完成的：
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}
alg是 “algorithm” 的簡寫，而typ是 “type” 的簡寫。
通常，typ 設為大寫的 JWT。在我們的示例中，alg 是 HS256，代表
HMAC-SHA256 （我們將很快解釋它），表示我們使用這個算法來創建簽名。
現在，我們有了創建 JWT 的所有元素：
- 頭部 JSON：算法和類型
- 載荷 JSON：實際數據
- 簽名：涵蓋頭部和載荷的簽名
然而，像空格和換行符這樣的字符對網絡傳輸不友好。因此，頭部和載荷需要Base64URL 編碼。典型的 JWT 看起來是這樣的：
{{header}}.{{payload}}.{{signature}}
.作為分隔符使用。
讓我們將所有內容組合起來並創建一個 JWT：
頭部
JSON: {"alg":"HS256","typ":"JWT"}
Base64URL 編碼: eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9
載荷
JSON: {"sub":"foo","name":"John Doe"}
Base64URL 編碼: eyJzdWIiOiJmb28iLCJuYW1lIjoiSm9obiBEb2UifQ
簽名
在 HMAC-SHA256 中，簽名是用一個秘密創建的：
HMAC-SHA256(base64Url(header) + "." + base64Url(payload), secret)
例如，使用秘密 some-great-secret，簽名成為：XM-XSs2Lmp76IcTQ7tVdFcZzN4W_WcoKMNANp925Q9g。
JWT
最終的 JWT 是：
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiJmb28iLCJuYW1lIjoiSm9obiBEb2UifQ.XM-XSs2Lmp76IcTQ7tVdFcZzN4W_WcoKMNANp925Q9g
擁有該秘密的任何方都可以驗證這個有效的 JWT。
選擇簽名算法
如前所述，創建數字簽名的算法有多種選擇。我們以 HS256 作為示例，但它可能不夠安全，因為秘密必須在雙方（例如客戶端和服務器）之間共享。
在現實世界的場景中，客戶端可能包括像 React 應用這樣的公共應用，無法安全地保管秘密。因此，首選方法是利用公鑰加密（即非對稱加密）來簽署 JWT。我們從最受歡迎的算法開始： RSA 。
RSA
RSA 是一種非對稱算法，使用一對密鑰：公鑰和私鑰。公鑰用來驗證簽名，而私鑰用於簽名。
RSA 的頭部 JSON 看起來是這樣的：
{
"alg": "RS256",
"typ": "JWT"
}
RS256代表 RSA-SHA256，意思是使用 RSA 算法和 SHA256 數位雜湊函數創建簽名。你也可以使用RS384和RS512分別創建基於 SHA384 和 SHA512 的簽名。
簽名是用私鑰創建的：
RSA-SHA256(base64Url(header) + "." + base64Url(payload), privateKey)
再一次，我們可以組裝這些部分來創建一個 JWT，最終的 JWT 看起來是這樣的：
eyJhbGciOiJSUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiJmb28iLCJuYW1lIjoiSm9obiBEb2UifQ.{{signature}}
現在，客戶端可以在不知道私鑰的情況下驗證簽名。
ECDSA
雖然 RSA 被廣泛採用，但它存在簽名較大的問題，有時甚至超過頭部和載荷的組合大小。橢圓曲線數字簽名算法 (ECDSA) 是另一種非對稱算法，可以創建更緊湊的簽名，並且性能更高。
要為 ECDSA 生成私鑰，我們需要選擇一個曲線。這不在本文的範疇內，但你可以在 這裡 找到更多信息。
ECDSA 的頭部 JSON 看起來是這樣的：
{
"alg": "ES256",
"typ": "JWT"
}
ES256代表 ECDSA-SHA256，意思是使用 ECDSA 算法和 SHA256 數位雜湊函數創建簽名。你也可以使用ES384和ES512分別創建基於 SHA384 和 SHA512 的簽名。
簽名是用私鑰創建的：
ECDSA-SHA256(base64Url(header) + "." + base64Url(payload), privateKey)
最終的 JWT 結構保持與 RSA 相同，但簽名顯著縮短：
eyJhbGciOiJFUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiJmb28iLCJuYW1lIjoiSm9obiBEb2UifQ.{{signature}}
驗證 JWT
驗證 JWT 是創建 JWT 的反向過程，非常簡單：
- 使用
.分隔符將 JWT 分為三部分（頭部、載荷和簽名）。 - 使用 Base64URL 解碼頭部和載荷。
- 使用頭部中指定的算法和公鑰（針對非對稱算法）驗證簽名。
有許多庫可以幫助進行 JWT 驗證，例如 Node.js 和 Web 瀏覽器的 jose 。