JWT (JSON Web Token)

JWT (JSON Web Token) 詳解：面向初學者的專業指南

簡介

在數字世界中，安全地驗證用戶身份和授權訪問是至關重要的。特別是在涉及金融交易，例如加密期貨交易，確保數據的完整性和安全性更是重中之重。JSON Web Token (JWT) 就是一種被廣泛採用的開放標準，用於在各方之間安全地傳輸信息。它緊湊、自包含，並且可以被驗證。本文將深入探討 JWT 的工作原理、結構、應用以及相關的安全考量，旨在為初學者提供一份全面的指南。

JWT 的核心概念

JWT 是一種字符串，遵循 JSON 對象格式，用於在客戶端和伺服器之間傳遞信息。與傳統的基於 Session 的身份驗證方式相比，JWT 具有顯著優勢。傳統的 Session 方式需要在伺服器端存儲用戶的會話信息，這帶來了可擴展性挑戰和潛在的安全風險。JWT 則將所有必要的信息編碼到 Token 本身，無需伺服器端存儲 Session 信息，從而簡化了架構並提高了效率。

想像一下，你通過一個在線加密貨幣交易所登錄，你不需要交易所一直記住你是誰，而是交易所給你一個「通行證」（JWT），你每次請求訪問你的帳戶信息時，都出示這個「通行證」，交易所驗證「通行證」的有效性即可。

JWT 的結構

一個 JWT 由三部分組成，用點號 (.) 分隔：

1. **Header (頭部)**：包含關於 Token 的類型和使用的加密算法的信息。 2. **Payload (載荷)**：包含聲明 (Claims)，即用戶的信息、權限等。 3. **Signature (簽名)**：用於驗證 Token 的完整性和真實性。

Header (頭部)

Header 通常是一個 JSON 對象，包含兩個欄位：

`typ`: Token 的類型，通常是 "JWT"。
`alg`: 簽名算法，例如 "HS256" (HMAC SHA256) 或 "RS256" (RSA SHA256)。

例如：

```json {

 "typ": "JWT",
 "alg": "HS256"

} ```

這個 Header 會被 Base64Url 編碼。

Payload (載荷)

Payload 也是一個 JSON 對象，包含各種聲明 (Claims)。這些聲明可以分為三種類型：

**Registered Claims (註冊聲明)**：一組預定義的聲明，例如 `iss` (issuer, 發行人), `sub` (subject, 主題), `aud` (audience, 受眾), `exp` (expiration time, 過期時間), `nbf` (not before, 在此之前無效), `iat` (issued at, 頒發時間), `jti` (JWT ID, JWT 唯一標識符)。使用這些註冊聲明有助於標準化 JWT 的使用。
**Public Claims (公開聲明)**：可以公開使用的自定義聲明，應避免存儲敏感信息。
**Private Claims (私有聲明)**：在應用程式內部使用的自定義聲明，用於傳輸特定於應用程式的數據。

例如：

```json {

 "sub": "1234567890",
 "name": "John Doe",
 "admin": true,
 "iat": 1516239022

} ```

Payload 也會被 Base64Url 編碼。

Signature (簽名)

Signature 的作用是確保 Token 的完整性和真實性。它通過將 Header (Base64Url 編碼) 和 Payload (Base64Url 編碼) 串聯起來，然後使用 Header 中指定的加密算法，並結合一個密鑰 (Secret Key) 進行簽名生成的。

簽名公式如下：

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

例如，如果使用 HS256 算法，則需要一個密鑰。如果使用 RS256 算法，則需要私鑰。

JWT 的工作流程

1. **客戶端發送登錄信息**：用戶向伺服器發送用戶名和密碼。 2. **伺服器驗證信息**：伺服器驗證用戶名和密碼的有效性。 3. **伺服器生成 JWT**：如果驗證成功，伺服器會生成一個包含用戶信息的 JWT。 4. **伺服器將 JWT 返回給客戶端**：伺服器將生成的 JWT 通過 HTTP 響應返回給客戶端。 5. **客戶端存儲 JWT**：客戶端將 JWT 存儲在本地，例如 Local Storage 或 Cookies 中。 6. **客戶端發送請求時攜帶 JWT**：客戶端在後續的請求中，將 JWT 放在 `Authorization` Header 中，通常使用 `Bearer` 方案。例如：`Authorization: Bearer <JWT>`。 7. **伺服器驗證 JWT**：伺服器接收到請求後，會驗證 JWT 的有效性。 8. **伺服器處理請求**：如果 JWT 驗證通過，伺服器會處理請求並返迴響應。

JWT 的優勢

**無狀態 (Stateless)**：JWT 不需要伺服器端存儲 Session 信息，減輕了伺服器的負擔，提高了可擴展性。
**可擴展性 (Scalability)**：由於無狀態特性，JWT 可以更容易地部署在分布式架構中。
**跨域 (Cross-Domain)**：JWT 可以被用於不同的域之間傳遞信息。
**安全性 (Security)**：通過簽名驗證，可以確保 Token 的完整性和真實性。
**易於使用 (Ease of Use)**：JWT 的結構簡單，易於解析和驗證。

JWT 的安全考量

雖然 JWT 具有很多優勢，但也存在一些安全風險需要注意：

**密鑰泄露**：如果用於簽名的密鑰泄露，攻擊者可以偽造 JWT。因此，務必妥善保管密鑰，並定期更換。
**XSS 攻擊**：如果 JWT 存儲在客戶端的 Local Storage 中，可能會受到跨站腳本攻擊 (XSS) 的影響。建議將 JWT 存儲在 Cookies 中，並設置 `HttpOnly` 和 `Secure` 標誌。
**CSRF 攻擊**：如果 JWT 存儲在 Cookies 中，可能會受到跨站請求偽造攻擊 (CSRF) 的影響。建議使用 CSRF Token 來防止 CSRF 攻擊。
**Token 濫用**：如果 JWT 的過期時間設置過長，可能會導致 Token 被濫用。建議設置合理的過期時間。
**算法選擇**：選擇合適的簽名算法非常重要。建議使用更安全的算法，例如 RS256 或 ES256。

JWT 的實際應用

**身份驗證 (Authentication)**：JWT 最常見的應用場景之一，用於驗證用戶身份。
**授權 (Authorization)**：JWT 可以包含用戶的權限信息，用於控制用戶對資源的訪問權限。
**信息交換 (Information Exchange)**：JWT 可以用於在各方之間安全地傳輸信息。
**API 認證 (API Authentication)**：JWT 可以用於認證 API 請求的身份。
**去中心化應用 (DApp)**: JWT 可以用於在 DApp 中管理用戶身份和授權。

在量化交易策略中，安全地訪問和管理 API 密鑰至關重要，JWT 可以用來安全地傳遞這些密鑰。此外，在技術分析指標的實時數據流中，JWT 可以保證數據的來源和完整性。對於高頻交易，做市策略需要快速且安全的身份驗證，JWT 也能提供幫助。在分析交易量分析數據時，JWT 可確保只有授權用戶才能訪問敏感信息。

JWT 的工具和庫

**jwt.io**：一個在線 JWT 編碼解碼和驗證工具。
**Node.js: jsonwebtoken**：一個流行的 Node.js JWT 庫。
**Python: PyJWT**：一個流行的 Python JWT 庫。
**Java: JJWT**：一個流行的 Java JWT 庫。

總結

JWT 是一種強大而靈活的開放標準，用於在各方之間安全地傳輸信息。它具有無狀態、可擴展性、跨域等優勢，被廣泛應用於身份驗證、授權和信息交換等場景。然而，在使用 JWT 時，也需要注意安全風險，並採取相應的安全措施。理解 JWT 的結構、工作流程和安全考量，對於構建安全的應用程式至關重要。

OAuth 2.0 經常與 JWT 一起使用，以實現更高級別的安全性。了解加密哈希函數的原理對於理解 JWT 簽名過程至關重要。

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