前后端的身份认证

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1、Web 开发模式

目前主流的 Web 开发模式有两种分别是

  • 基于服务端渲染的传统 Web 开发模式
  • 基于前后端分离的新型 Web 开发模式

1.1、服务端渲染的 Web 开发模式

        服务端渲染的概念服务器发送给客户端的 HTML 页面是在服务器通过字符串的拼接动态生成的。因此客户端不需要使用 Ajax 这样的技术额外请求页面的数据。代码示例如下

1.2、服务端渲染的优缺点 

优点

  •  前端耗时少。因为服务器端负责动态生成 HTML 内容浏览器只需要直接渲染页面即可。尤其是移动端更省电。
  • 有利于SEO。因为服务器端响应的是完整的 HTML 页面内容所以爬虫更容易爬取获得信息更有利于 SEO。

缺点

  • 占用服务器端资源。即服务器端完成 HTML 页面内容的拼接如果请求较多会对服务器造成一定的访问压力。
  • 不利于前后端分离开发效率低。使用服务器端渲染则无法进行分工合作尤其对于前端复杂度高的项目不利于项目高效开发。

1.3、前后端分离的 Web 开发模式

        前后端分离的概念前后端分离的开发模式依赖于 Ajax 技术的广泛应用。简而言之前后端分离的 Web 开发模式就是后端只负责提供 API 接口前端使用 Ajax 调用接口的开发模式。

1.4、前后端分离的优缺点

优点

  • 开发体验好。前端专注于 UI 页面的开发后端专注于api 的开发且前端有更多的选择性。
  • 用户体验好。Ajax 技术的广泛应用极大的提高了用户的体验可以轻松实现页面的局部刷新。
  • 减轻了服务器端的渲染压力。因为页面最终是在每个用户的浏览器中生成的。

缺点

        不利于 SEO。因为完整的 HTML 页面需要在客户端动态拼接完成所以爬虫对无法爬取页面的有效信息。解决方案利用 Vue、React 等前端框架的 SSR server side render技术能够很好的解决 SEO 问题

1.5、如何选择 Web 开发模式

不谈业务场景而盲目选择使用何种开发模式都是耍流氓。

  • 比如企业级网站主要功能是展示而没有复杂的交互并且需要良好的 SEO则这时我们就需要使用服务器端渲染
  • 而类似后台管理项目交互性比较强不需要考虑 SEO那么就可以使用前后端分离的开发模式。

        另外具体使用何种开发模式并不是绝对的为了同时兼顾了首页的渲染速度和前后端分离的开发效率一些网站采用了首屏服务器端渲染 + 其他页面前后端分离的开发模式。

2、身份认证

2.1、什么是身份认证

        身份认证Authentication又称“身份验证”、“鉴权”是指通过一定的手段完成对用户身份的确认。

  • 日常生活中的身份认证随处可见例如高铁的验票乘车手机的密码或指纹解锁支付宝或微信的支付密码等。
  • 在 Web 开发中也涉及到用户身份的认证例如各大网站的手机验证码登录、邮箱密码登录、二维码登录等。

2.2、为什么需要身份认证

        身份认证的目的是为了确认当前所声称为某种身份的用户确实是所声称的用户。例如你去找快递员取快递你要怎么证明这份快递是你的。

        在互联网项目开发中如何对用户的身份进行认证是一个值得深入探讨的问题。例如如何才能保证网站不会错误的将“马云的存款数额”显示到“马化腾的账户”上。

2.3、不同开发模式下的身份认证

对于服务端渲染和前后端分离这两种开发模式来说分别有着不同的身份认证方案

  • 服务端渲染推荐使用 Session 认证机制
  • 前后端分离推荐使用 JWT 认证机制

3、Session 认证机制

3.1、HTTP 协议的无状态性

  • 了解 HTTP 协议的无状态性是进一步学习 Session 认证机制的必要前提。
  • HTTP 协议的无状态性指的是客户端的每次 HTTP 请求都是独立的连续多个请求之间没有直接的关系服务器不会主动保留每次 HTTP 请求的状态。

3.2、如何突破 HTTP 无状态的限制 

        对于超市来说为了方便收银员在进行结算时给 VIP 用户打折超市可以为每个 VIP 用户发放会员卡。

注意现实生活中的会员卡身份认证方式在 Web 开发中的专业术语叫做 Cookie 

3.3、什么是 Cookie

  • Cookie 是存储在用户浏览器中的一段不超过 4 KB 的字符串。它由一个名称Name、一个值Value和其它几个用于控制 Cookie 有效期、安全性、使用范围的可选属性组成。
  • 不同域名下的 Cookie 各自独立每当客户端发起请求时会自动把当前域名下所有未过期的 Cookie 一同发送到服务器。

Cookie的几大特性

  1. 自动发送
  2. 域名独立
  3. 过期时限
  4. 4KB 限制

3.4、Cookie 在身份认证中的作用

        客户端第一次请求服务器的时候服务器通过响应头的形式向客户端发送一个身份认证的 Cookie客户端会自动将 Cookie 保存在浏览器中。

        随后当客户端浏览器每次请求服务器的时候浏览器会自动将身份认证相关的 Cookie通过请求头的形式发送给服务器服务器即可验明客户端的身份。

3.5、Cookie 不具有安全性 

        由于 Cookie 是存储在浏览器中的而且浏览器也提供了读写 Cookie 的 API因此 Cookie 很容易被伪造不具有安全性。因此不建议服务器将重要的隐私数据通过 Cookie 的形式发送给浏览器。

注意千万不要使用 Cookie 存储重要且隐私的数据比如用户的身份信息、密码等。 

3.6、提高身份认证的安全性

        为了防止客户伪造会员卡收银员在拿到客户出示的会员卡之后可以在收银机上进行刷卡认证。只有收银机确认存在的会员卡才能被正常使用。

这种“会员卡 + 刷卡认证”的设计理念就是 Session 认证机制的精髓。 

3.7、Session 的工作原理

 

4、在 Express 中使用 Session 认证

4.1、安装 express-session 中间件

在 Express 项目中只需要安装 express-session 中间件即可在项目中使用 Session 认证

npm install express-session

4.2、配置 express-session 中间件

        express-session 中间件安装成功后需要通过 app.use() 来注册 session 中间件示例代码如下

// 导入 session 中间件
const session = require('express-session')

// 配置 session 中间件
app.use(
  session({
    secret: 'itheima', // secret 属性的值可以为任意字符串
    resave: false,    // 固定写法
    saveUninitialized: true,  // 固定写法
  })
)

4.3、向 session 中存数据

        当 express-session 中间件配置成功后即可通过 req.session 来访问和使用 session 对象从而存储用户的关键信息

// 登录的 API 接口
app.post('/api/login', (req, res) => {
  // 判断用户提交的登录信息是否正确
  if (req.body.username !== 'admin' || req.body.password !== '000000') {
    return res.send({ status: 1, msg: '登录失败' })
  }

  // TODO_02请将登录成功后的用户信息保存到 Session 中
  // 注意只有成功配置了 express-session 这个中间件之后才能够通过 req 点出来 session 这个属性
  req.session.user = req.body // 用户的信息
  console.log(req.body)
  req.session.islogin = true // 用户的登录状态

  res.send({ status: 0, msg: '登录成功' })
})

4.4、从 session 中取数据

可以直接从 req.session 对象上获取之前存储的数据示例代码如下

// 获取用户姓名的接口
app.get('/api/username', (req, res) => {
  // TODO_03请从 Session 中获取用户的名称响应给客户端
  if (!req.session.islogin) {
    return res.send({ status: 1, msg: 'fail' })
  }
  res.send({
    status: 0,
    msg: 'success',
    username: req.session.user.username,
  })
})

4.5、清空 session

调用 req.session.destroy() 函数即可清空服务器保存的 session 信息。

// 退出登录的接口
app.post('/api/logout', (req, res) => {
  // TODO_04清空 Session 信息
  req.session.destroy()
  res.send({
    status: 0,
    msg: '退出登录成功',
  })
})

4.6、完整示例

index.html 

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">

<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
  <title>后台主页</title>
  <script src="./jquery.js"></script>
</head>

<body>
  <h1>首页</h1>

  <button id="btnLogout">退出登录</button>

  <script>
    $(function () {

      // 页面加载完成后自动发起请求获取用户姓名
      $.get('/api/username', function (res) {
        // status 为 0 表示获取用户名称成功否则表示获取用户名称失败
        if (res.status !== 0) {
          alert('您尚未登录请登录后再执行此操作')
          location.href = './login.html'
        } else {
          alert('欢迎您' + res.username)
        }
      })

      // 点击按钮退出登录
      $('#btnLogout').on('click', function () {
        // 发起 POST 请求退出登录
        $.post('/api/logout', function (res) {
          if (res.status === 0) {
            // 如果 status 为 0则表示退出成功重新跳转到登录页面
            location.href = './login.html'
          }
        })
      })
    })
  </script>
</body>

</html>

login.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">

<head>
  <meta charset="UTF-8">
  <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
  <title>登录页面</title>
  <script src="./jquery.js"></script>
</head>

<body>
  <!-- 登录表单 -->
  <form id="form1">
    <div>账号<input type="text" name="username" autocomplete="off" /></div>
    <div>密码<input type="password" name="password" /></div>
    <button>登录</button>
  </form>

  <script>
    $(function () {
      // 监听表单的提交事件
      $('#form1').on('submit', function (e) {
        // 阻止默认提交行为
        e.preventDefault()
        // 发起 POST 登录请求
        $.post('/api/login', $(this).serialize(), function (res) {
          // status 为 0 表示登录成功否则表示登录失败
          if (res.status === 0) {
            location.href = './index.html'
          } else {
            alert('登录失败')
          }
        })
      })
    })
  </script>
</body>

</html>

app.js

// 导入 express 模块
const express = require('express')
// 创建 express 的服务器实例
const app = express()

// TODO_01请配置 Session 中间件
const session = require('express-session')
app.use(
  session({
    secret: 'itheima',
    resave: false,
    saveUninitialized: true,
  })
)

// 托管静态页面
app.use(express.static('./pages'))
// 解析 POST 提交过来的表单数据
app.use(express.urlencoded({ extended: false }))

// 登录的 API 接口
app.post('/api/login', (req, res) => {
  // 判断用户提交的登录信息是否正确
  if (req.body.username !== 'admin' || req.body.password !== '000000') {
    return res.send({ status: 1, msg: '登录失败' })
  }

  // TODO_02请将登录成功后的用户信息保存到 Session 中
  // 注意只有成功配置了 express-session 这个中间件之后才能够通过 req 点出来 session 这个属性
  req.session.user = req.body // 用户的信息
  console.log(req.body)
  req.session.islogin = true // 用户的登录状态

  res.send({ status: 0, msg: '登录成功' })
})

// 获取用户姓名的接口
app.get('/api/username', (req, res) => {
  // TODO_03请从 Session 中获取用户的名称响应给客户端
  if (!req.session.islogin) {
    return res.send({ status: 1, msg: 'fail' })
  }
  res.send({
    status: 0,
    msg: 'success',
    username: req.session.user.username,
  })
})

// 退出登录的接口
app.post('/api/logout', (req, res) => {
  // TODO_04清空 Session 信息
  req.session.destroy()
  res.send({
    status: 0,
    msg: '退出登录成功',
  })
})

// 调用 app.listen 方法指定端口号并启动web服务器
app.listen(80, function () {
  console.log('Express server running at http://127.0.0.1:80')
})

5、JWT 认证机制

5.1、了解 Session 认证的局限性

        Session 认证机制需要配合 Cookie 才能实现。由于 Cookie 默认不支持跨域访问所以当涉及到前端跨域请求后端接口的时候需要做很多额外的配置才能实现跨域 Session 认证。

注意

  • 当前端请求后端接口不存在跨域问题的时候推荐使用 Session 身份认证机制。
  • 当前端需要跨域请求后端接口的时候不推荐使用 Session 身份认证机制推荐使用 JWT 认证机制。

5.2、什么是 JWT

JWT英文全称JSON Web Token是目前最流行的跨域认证解决方案。

5.3、JWT 的工作原理

总结用户的信息通过 Token 字符串的形式保存在客户端浏览器中。服务器通过还原 Token 字符串的形式来认证用户的身份。 

5.4、JWT 的组成部分

JWT 通常由三部分组成分别是 Header头部、Payload有效荷载、Signature签名。

三者之间使用英文的“.”分隔格式如下

下面是 JWT 字符串的示例 

5.5、JWT 的三个部分各自代表的含义 

JWT 的三个组成部分从前到后分别是 Header、Payload、Signature。

其中

  • Payload 部分才是真正的用户信息它是用户信息经过加密之后生成的字符串。
  • Header 和 Signature 是安全性相关的部分只是为了保证 Token 的安全性。

5.6、JWT 的使用方式 

客户端收到服务器返回的 JWT 之后通常会将它储存在 localStorage 或 sessionStorage 中。

此后客户端每次与服务器通信都要带上这个 JWT 的字符串从而进行身份认证。推荐的做法是把 JWT 放在 HTTP 请求头的 Authorization 字段中格式如下

 

6、在 Express 中使用 JWT

6.1、安装 JWT 相关的包

运行如下命令安装如下两个 JWT 相关的包

npm install jsonwebtoken express-jwt

其中

  • jsonwebtoken 用于生成 JWT 字符串
  • express-jwt 用于将 JWT 字符串解析还原成 JSON 对象

6.2、导入 JWT 相关的包

使用 require() 函数分别导入 JWT 相关的两个包

// 安装并导入 JWT 相关的两个包分别是 jsonwebtoken 和 express-jwt
const jwt = require('jsonwebtoken')
const expressJWT = require('express-jwt')

6.3、定义 secret 密钥

        为了保证 JWT 字符串的安全性防止 JWT 字符串在网络传输过程中被别人破解我们需要专门定义一个用于加密和解密的 secret 密钥

  • 当生成 JWT 字符串的时候需要使用 secret 密钥对用户的信息进行加密最终得到加密好的 JWT 字符串
  • 当把 JWT 字符串解析还原成 JSON 对象的时候需要使用 secret 密钥进行解密
// 定义 secret 密钥建议将密钥命名为 secretKey本质上就是一个字符串
const secretKey = 'itheima No1 ^_^'

6.4、在登录成功后生成 JWT 字符串

调用 jsonwebtoken 包提供的 sign() 方法将用户的信息加密成 JWT 字符串响应给客户端

// 登录接口
app.post('/api/login', function (req, res) {
  // 将 req.body 请求体中的数据转存为 userinfo 常量
  const userinfo = req.body
  // 登录失败
  if (userinfo.username !== 'admin' || userinfo.password !== '000000') {
    return res.send({
      status: 400,
      message: '登录失败',
    })
  }
  // 登录成功
  // TODO_03在登录成功之后调用 jwt.sign() 方法生成 JWT 字符串。并通过 token 属性发送给客户端
  // 参数1用户的信息对象
  // 参数2加密的秘钥
  // 参数3配置对象可以配置当前 token 的有效期
  // 记住千万不要把密码加密到 token 字符中
  const tokenStr = jwt.sign({ username: userinfo.username }, secretKey, { expiresIn: '30s' })
  res.send({
    status: 200,
    message: '登录成功',
    token: tokenStr, // 要发送给客户端的 token 字符串
  })
})

6.5、将 JWT 字符串还原为 JSON 对象

  • 客户端每次在访问那些有权限接口的时候都需要主动通过请求头中的 Authorization 字段将 Token 字符串发送到服务器进行身份认证。
  • 此时服务器可以通过 express-jwt 这个中间件自动将客户端发送过来的 Token 解析还原成 JSON 对象
// 使用 app.use() 来注册中间件
// expressJWT({ secret: secretKey }) 就是用来解析 Token 的中间件
// .unless({ path: [/^\/api\//] }) 用来指定哪些接口不需要访问权限
app.use(expressJWT({ secret: secretKey }).unless({ path: [/^\/api\//] }))

6.6、使用 req.user 获取用户信息

当 express-jwt 这个中间件配置成功之后即可在那些有权限的接口中使用 req.user 对象来访问从 JWT 字符串中解析出来的用户信息了示例代码如下 

// 这是一个有权限的 API 接口
app.get('/admin/getinfo', function (req, res) {
  // TODO_05使用 req.user 获取用户信息并使用 data 属性将用户信息发送给客户端
  console.log(req.user)
  res.send({
    status: 200,
    message: '获取用户信息成功',
    data: req.user, // 要发送给客户端的用户信息
  })
})

6.7、捕获解析 JWT 失败后产生的错误 

        当使用 express-jwt 解析 Token 字符串时如果客户端发送过来的 Token 字符串过期或不合法会产生一个解析失败的错误影响项目的正常运行。我们可以通过 Express 的错误中间件捕获这个错误并进行相关的处理示例代码如下

// 使用全局错误处理中间件捕获解析 JWT 失败后产生的错误
app.use((err, req, res, next) => {
  // 这次错误是由 token 解析失败导致的
  if (err.name === 'UnauthorizedError') {
    return res.send({
      status: 401,
      message: '无效的token',
    })
  }
  res.send({
    status: 500,
    message: '未知的错误',
  })
})

6.8、完整示例

// 导入 express 模块
const express = require('express')
// 创建 express 的服务器实例
const app = express()

// TODO_01安装并导入 JWT 相关的两个包分别是 jsonwebtoken 和 express-jwt
const jwt = require('jsonwebtoken')
const expressJWT = require('express-jwt')

// 允许跨域资源共享
const cors = require('cors')
app.use(cors())

// 解析 post 表单数据的中间件
const bodyParser = require('body-parser')
app.use(bodyParser.urlencoded({ extended: false }))

// TODO_02定义 secret 密钥建议将密钥命名为 secretKey
const secretKey = 'itheima No1 ^_^'

// TODO_04注册将 JWT 字符串解析还原成 JSON 对象的中间件
// 注意只要配置成功了 express-jwt 这个中间件就可以把解析出来的用户信息挂载到 req.user 属性上
app.use(expressJWT({ secret: secretKey }).unless({ path: [/^\/api\//] }))

// 登录接口
app.post('/api/login', function (req, res) {
  // 将 req.body 请求体中的数据转存为 userinfo 常量
  const userinfo = req.body
  // 登录失败
  if (userinfo.username !== 'admin' || userinfo.password !== '000000') {
    return res.send({
      status: 400,
      message: '登录失败',
    })
  }
  // 登录成功
  // TODO_03在登录成功之后调用 jwt.sign() 方法生成 JWT 字符串。并通过 token 属性发送给客户端
  // 参数1用户的信息对象
  // 参数2加密的秘钥
  // 参数3配置对象可以配置当前 token 的有效期
  // 记住千万不要把密码加密到 token 字符中
  const tokenStr = jwt.sign({ username: userinfo.username }, secretKey, { expiresIn: '30s' })
  res.send({
    status: 200,
    message: '登录成功',
    token: tokenStr, // 要发送给客户端的 token 字符串
  })
})

// 这是一个有权限的 API 接口
app.get('/admin/getinfo', function (req, res) {
  // TODO_05使用 req.user 获取用户信息并使用 data 属性将用户信息发送给客户端
  console.log(req.user)
  res.send({
    status: 200,
    message: '获取用户信息成功',
    data: req.user, // 要发送给客户端的用户信息
  })
})

// TODO_06使用全局错误处理中间件捕获解析 JWT 失败后产生的错误
app.use((err, req, res, next) => {
  // 这次错误是由 token 解析失败导致的
  if (err.name === 'UnauthorizedError') {
    return res.send({
      status: 401,
      message: '无效的token',
    })
  }
  res.send({
    status: 500,
    message: '未知的错误',
  })
})

// 调用 app.listen 方法指定端口号并启动web服务器
app.listen(8888, function () {
  console.log('Express server running at http://127.0.0.1:8888')
})
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