面试题：安全认证之JWT在物联网设备中的基础应用

Question

请阐述JWT（JSON Web Token）的基本组成结构，以及在物联网设备场景下，如何利用JWT实现简单的身份认证和授权机制。

Answer 1

JWT基本组成结构

1. Header（头部）：通常由两部分组成，令牌的类型（如JWT）和所使用的签名算法，如HMAC SHA256或RSA。它以JSON对象表示，例如：

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

之后这个JSON对象会使用Base64Url编码，形成JWT的第一部分。 2. Payload（负载）：也是一个JSON对象，用于存放实际需要传递的数据，即声明（claims）。这些声明可以是用户相关信息、权限信息等。分为三种类型：注册声明（如iss，exp，sub等）、公共声明和私有声明。例如：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "iat": 1516239022
}

同样，这个JSON对象也会使用Base64Url编码，形成JWT的第二部分。 3. Signature（签名）：为了创建签名部分，需要使用编码后的header、编码后的payload、一个密钥（secret）和header中指定的签名算法。例如，如果使用HMAC SHA256算法，签名会按如下方式创建：

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

签名用于验证消息在传输过程中没有被更改，并且，当使用私钥签名时，还可以验证JWT的发送者的身份。

在物联网设备场景下利用JWT实现简单身份认证和授权机制

1. 身份认证：
   • 设备注册：物联网设备首次接入系统时，在服务器端进行注册，服务器为设备分配唯一标识和密钥（secret）。
   • 生成JWT：设备需要访问系统资源时，使用分配的密钥对包含设备标识等信息的payload进行签名，生成JWT。例如，payload可以包含设备ID、设备类型等信息。
   • 认证请求：设备将生成的JWT发送到服务器进行认证。
   • 服务器验证：服务器接收到JWT后，使用与设备共享的密钥，按照相同的签名算法对JWT的header和payload进行签名计算，并与JWT中的签名部分进行对比。如果一致，则认证通过，表明设备身份合法。
2. 授权机制：
   • 权限定义：在服务器端定义不同设备类型或设备个体的权限，如哪些设备可以读取特定传感器数据，哪些设备可以控制执行器等。这些权限信息可以作为JWT payload中的声明。
   • JWT传递权限：当设备生成JWT时，将相应的权限信息包含在payload中。
   • 权限验证：服务器接收到设备的请求及JWT后，在认证通过的基础上，检查JWT payload中的权限声明，判断设备是否有权限执行请求的操作。如果权限匹配，则允许操作；否则，拒绝请求。