面试题：安全认证之JWT在分布式系统中的应用优化

Question

在分布式系统中，使用JWT进行安全认证时，如何处理JWT的刷新机制以确保用户会话的连续性和安全性？请详细说明设计思路和实现方案。

Answer 1

设计思路

1. JWT组成理解：JWT通常由头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature）三部分组成。头部包含令牌类型和哈希算法等信息；载荷存放用户相关数据及过期时间等声明；签名用于验证令牌的完整性。
2. 刷新原因：由于JWT包含用户身份信息且自包含无需查询数据库验证，设置较短有效期可提高安全性，但短有效期会频繁让用户重新登录，影响体验。所以需要刷新机制，在用户使用过程中无需重新登录即可获取新的有效JWT。
3. 分离令牌：使用两种令牌，即访问令牌（Access Token）和刷新令牌（Refresh Token）。访问令牌用于常规请求认证，有效期短；刷新令牌用于在访问令牌过期时获取新的访问令牌，有效期长。

实现方案

1. 生成令牌
   • 用户登录：用户输入凭证进行登录验证，验证通过后，服务器生成访问令牌和刷新令牌。访问令牌可包含用户基本信息、过期时间等载荷信息，如：

{
    "sub": "1234567890",
    "name": "John Doe",
    "iat": 1516239022,
    "exp": 1516239322
}

- 使用HS256或RS256等算法对访问令牌进行签名。刷新令牌同样可包含一些标识信息，但通常不包含敏感用户数据，其生成过程类似访问令牌，但有效期设置较长。

2. 存储刷新令牌 - 服务器端存储：刷新令牌可存储在服务器端数据库（如Redis），以用户标识（如用户ID）为键，刷新令牌为值进行存储。这种方式安全性较高，因为服务器可控制刷新令牌的使用，且即使访问令牌泄露，攻击者也无法获取有效的刷新令牌。 - 客户端存储：刷新令牌也可存储在客户端，如HTTP-only Cookie中。这样可减少每次请求都与服务器交互验证刷新令牌的开销，但需注意保护Cookie不被窃取。如果采用客户端存储，要在传输过程中确保使用HTTPS加密。 3. 请求处理 - 正常请求：客户端在每次请求时，将访问令牌放在请求头（如Authorization: Bearer <access_token>）中发送给服务器。服务器验证访问令牌的有效性，包括签名验证、过期时间验证等。如果验证通过，处理请求；如果访问令牌过期，返回401 Unauthorized错误。 - 刷新令牌请求：当客户端收到401错误且判断是访问令牌过期导致时，使用刷新令牌请求新的访问令牌。客户端将刷新令牌放在请求头或请求体中发送到服务器的刷新令牌端点（如/api/refresh_token）。 - 服务器验证：服务器接收到刷新令牌请求后，验证刷新令牌的有效性。如果存储在服务器端数据库，查询数据库验证刷新令牌是否存在且未过期；如果存储在客户端Cookie，验证Cookie中的刷新令牌签名及过期时间等。 - 生成新令牌：如果刷新令牌验证通过，服务器生成新的访问令牌和（可选）新的刷新令牌。新的访问令牌按之前的生成方式生成并返回给客户端，新的刷新令牌可选择更新存储在服务器端（若采用服务器端存储方式）或更新客户端Cookie（若采用客户端存储方式）。 4. 安全考虑 - 刷新令牌限制：限制刷新令牌的使用次数，每次使用刷新令牌获取新访问令牌后，可使旧的刷新令牌失效，降低刷新令牌泄露带来的风险。 - 加密传输：无论是访问令牌还是刷新令牌，在传输过程中都应使用HTTPS加密，防止中间人窃取令牌。 - 监控与审计：服务器端记录刷新令牌的使用情况，包括使用时间、来源IP等信息，便于监控异常行为和进行安全审计。