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應用JWT進行使用者認證及Token的重新整理 - 一個大西瓜咚咚咚

應用JWT進行使用者認證及Token的重新整理

本文将通過實際的例子來示範如何在ASP.NET Core中應用JWT進行使用者認證以及Token的重新整理方案（ASP.NET Core 系列目錄）

一、什麼是JWT？

JWT(json web token)基于開放标準（RFC 7519)，是一種無狀态的分布式的身份驗證方式，主要用于在網絡應用環境間安全地傳遞聲明。它是基于JSON的，是以它也像json一樣可以在.Net、JAVA、JavaScript,、PHP等多種語言使用。

為什麼要使用JWT？

傳統的Web應用一般采用Cookies+Session來進行認證。但對于目前越來越多的App、小程式等應用來說，它們對應的服務端一般都是RestFul 類型的無狀态的API，再采用這樣的的認證方式就不是很友善了。而JWT這種無狀态的分布式的身份驗證方式恰好符合這樣的需求。

二、JWT的組成：

JWT是什麼樣子的呢？它就是下面這樣的一段字元串：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJodHRwOi8vc2NoZW1hcy54bWxzb2FwLm9yZy93cy8yMDA1LzA1L2lkZW50aXR5L2NsYWltcy9uYW1laWRlbnRpZmllciI6IjAwMiIsImh0dHA6Ly9zY2hlbWFzLnhtbHNvYXAub3JnL3dzLzIwMDUvMDUvaWRlbnRpdHkvY2xhaW1zL25hbWUiOiLmnY7lm5siLCJuYmYiOjE1NjU5MjMxMjIsImV4cCI6MTU2NTkyMzI0MiwiaXNzIjoiaHR0cDovL2xvY2FsaG9zdDo1NDIxNCIsImF1ZCI6Imh0dHA6Ly9sb2NhbGhvc3Q6NTQyMTUifQ.Mrta7nftmfXeo_igBVd4rl2keMmm0rg0WkqRXoVAeik

它是由三段“亂碼”字元串通過兩個“.”連接配接在一起組成。官網https://jwt.io/提供了它的驗證方式

它的三個字元串分别對應了上圖右側的Header、Payload和Signature三部分。

Header： 

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

辨別加密方式為HS256，Token類型為JWT, 這段JSON通過Base64Url編碼形成上例的第一個字元串

Payload

Payload是JWT用于資訊存儲部分，其中包含了許多種的聲明（claims）。

可以自定義多個聲明添加到Payload中，系統也提供了一些預設的類型

iss (issuer)：簽發人

exp (expiration time)：過期時間

sub (subject)：主題

aud (audience)：閱聽人

nbf (Not Before)：生效時間

iat (Issued At)：簽發時間

jti (JWT ID)：編号

這部分通過Base64Url編碼生成第二個字元串。

Signature

Signature是用于Token的驗證。它的值類似這樣的表達式：Signature = HMACSHA256( base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload), secret)，也就是說，它是通過将前兩個字元串加密後生成的一個新字元串。

是以隻有擁有同樣加密密鑰的人，才能通過前兩個字元串獲得同樣的字元串，通過這種方式保證了Token的真實性。

三、認證流程

大概的流程是這樣的：

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  1. 認證伺服器：用于使用者的登入驗證和Token的發放。
  2. 應用伺服器：業務資料接口。被保護的API。
  3. 用戶端：一般為APP、小程式等。

認證流程：

  1.  使用者首先通過登入，到認證伺服器擷取一個Token。
  2. 在通路應用伺服器的API的時候，将擷取到的Token放置在請求的Header中。
  3. 應用伺服器驗證該Token，通過後傳回對應的結果。

說明：這隻是示例方案，實際項目中可能有所不同。

  1. 對于小型項目，可能認證服務和應用服務在一起。本例通過分開的方式來實作，使我們能更好的了解二者之間的認證流程。
  2. 對于複雜一些的項目，可能存在多個應用服務，使用者擷取到的Token可以在多個分布式服務中被認證，這也是JWT的優勢之一。

關于JWT的文章很多，這裡就不做過多介紹了。下面通過實際的例子來看一下 它是如何在ASP.NET Core 中應用的。

四、應用執行個體

上一節的圖：“JWT的認證流程”中涉及到用戶端、認證伺服器、應用伺服器三部分，下面通過示例來對這三部分進行模拟：

  1. 認證伺服器：建立一個WebApi的解決方案，名為FlyLolo.JWT.Server。
  2. 應用伺服器：建立一個WebApi的解決方案，名為FlyLolo.JWT.API。
  3. 用戶端：這裡用Fiddler發送請求做測試。

認證服務

首先建立一個ASP.NET Core 的解決方案WebApi的解決方案 

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将其命名為FlyLolo.JWT.Server。

首先建立一個TokenController用于登入和Token的發放：

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[Route("api/[controller]")]
public class TokenController : Controller
{
    private ITokenHelper tokenHelper = null;
    public TokenController(ITokenHelper _tokenHelper)
    {
        tokenHelper = _tokenHelper;
    }
    [HttpGet]
    public IActionResult Get(string code, string pwd)
    {
        User user = TemporaryData.GetUser(code);
        if (null != user && user.Password.Equals(pwd))
        {
            return Ok(tokenHelper.CreateToken(user));
        }
        return BadRequest();
    }
}
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 它有個名為Get的Action用于接收送出的使用者名和密碼，并進行驗證，驗證通過後，調用TokenHelper的CreateToken方法生成Token傳回。

這裡涉及到了User和TokenHelper兩個類。

User相關：

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public class User
{
    public string Code { get; set; }
    public string Name { get; set; }
    public string Password { get; set; }
}
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由于隻是Demo，User類隻含有以上三個字段。在TemporaryData類中做了User的模拟資料

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/// <summary>
    /// 虛拟資料，模拟從資料庫或緩存中讀取使用者
    /// </summary>
    public static class TemporaryData
    {
        private static List<User> Users = new List<User>() { new User { Code = "001", Name = "張三", Password = "111111" }, new User { Code = "002", Name = "李四", Password = "222222" } };

        public static User GetUser(string code)
        {
            return Users.FirstOrDefault(m => m.Code.Equals(code));
        }
    }
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這隻是模拟資料，實際項目中應該從資料庫或者緩存等讀取。

TokenHelper：

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public class TokenHelper : ITokenHelper
    {
        private IOptions<JWTConfig> _options;
        public TokenHelper(IOptions<JWTConfig> options)
        {
            _options = options;
        }

        public Token CreateToken(User user)
        {
            Claim[] claims = { new Claim(ClaimTypes.NameIdentifier,user.Code),new Claim(ClaimTypes.Name,user.Name) };

            return CreateToken(claims);
        }
        private Token CreateToken(Claim[] claims)
        {
            var now = DateTime.Now;var expires = now.Add(TimeSpan.FromMinutes(_options.Value.AccessTokenExpiresMinutes));
            var token = new JwtSecurityToken(
                issuer: _options.Value.Issuer,
                audience: _options.Value.Audience,
                claims: claims,
                notBefore: now,
                expires: expires,
                signingCredentials: new SigningCredentials(new SymmetricSecurityKey(Encoding.UTF8.GetBytes(_options.Value.IssuerSigningKey)), SecurityAlgorithms.HmacSha256));
            return new Token { TokenContent = new JwtSecurityTokenHandler().WriteToken(token), Expires = expires };
        }
    }
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    通過CreateToken方法建立Token，這裡有幾個關鍵參數：

  1. issuer            Token釋出者
  2. Audience      Token接受者
  3. expires          過期時間
  4. IssuerSigningKey  簽名秘鑰

對應的Token代碼如下：

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public class Token
    {
        public string TokenContent { get; set; }

        public DateTime Expires { get; set; }
    }
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這樣通過TokenHelper的CreateToken方法生成了一個Token傳回給了用戶端。到現在來看，貌似所有的工作已經完成了。并非如此，我們還需要在Startup檔案中做一些設定。

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public class Startup
{
    // 。。。。。。此處省略部分代碼

    public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
    {
//讀取配置資訊
        services.AddSingleton<ITokenHelper, TokenHelper>();
        services.Configure<JWTConfig>(Configuration.GetSection("JWT"));
        //啟用JWT
        services.AddAuthentication(Options =>
        {
            Options.DefaultAuthenticateScheme = JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme;
            Options.DefaultChallengeScheme = JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme;
        }).
        AddJwtBearer();
        services.AddMvc().SetCompatibilityVersion(CompatibilityVersion.Version_2_2);
    }

    public void Configure(IApplicationBuilder app, IHostingEnvironment env)
    {
        if (env.IsDevelopment())
        {
            app.UseDeveloperExceptionPage();
        }
//啟用認證中間件
        app.UseAuthentication();
        app.UseMvc();
    }
}
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 這裡用到了配置資訊，在appsettings.json中對認證資訊做配置如下：

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"JWT": {
    "Issuer": "FlyLolo",
    "Audience": "TestAudience",
    "IssuerSigningKey": "FlyLolo1234567890",
    "AccessTokenExpiresMinutes": "30"
  }
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運作這個項目，并通過Fidder以Get方式通路api/token?code=002&pwd=222222，傳回結果如下：

{"tokenContent":"eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJodHRwOi8vc2NoZW1hcy54bWxzb2FwLm9yZy93cy8
yMDA1LzA1L2lkZW50aXR5L2NsYWltcy9uYW1laWRlbnRpZmllciI6IjAwMiIsImh0dHA6Ly9zY2hlbWFzLnhtbHNvYXAub3JnL
3dzLzIwMDUvMDUvaWRlbnRpdHkvY2xhaW1zL25hbWUiOiLmnY7lm5siLCJuYmYiOjE1NjY3OTg0NzUsImV4cCI6MTU2NjgwMDI
3NSwiaXNzIjoiRmx5TG9sbyIsImF1ZCI6IlRlc3RBdWRpZW5jZSJ9.BVf3gOuW1E9RToqKy8XXp8uIvZKL-lBA-q9fB9QTEZ4",
"expires":"2019-08-26T21:17:55.1183172+08:00"}

 用戶端登入成功并成功傳回了一個Token，認證服務建立完成

應用服務

建立一個WebApi的解決方案，名為FlyLolo.JWT.API。

添加BookController用作業務API。

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[Route("api/[controller]")]
[Authorize]
public class BookController : Controller
{
    // GET: api/<controller>
    [HttpGet]
    [AllowAnonymous]
    public IEnumerable<string> Get()
    {
        return new string[] { "ASP", "C#" };
    }

    // POST api/<controller>
    [HttpPost]
    public JsonResult Post()
    {
        return new JsonResult("Create  Book ...");
    }
}
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 對此Controller添加了[Authorize]辨別，表示此Controller的Action被通路時需要進行認證，而它的名為Get的Action被辨別了[AllowAnonymous]，表示此Action的通路可以跳過認證。

在Startup檔案中配置認證：

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public class Startup
{
// 省略部分代碼
    public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
    {
        #region 讀取配置
        JWTConfig config = new JWTConfig();
        Configuration.GetSection("JWT").Bind(config);
        #endregion

        #region 啟用JWT認證
        services.AddAuthentication(options =>
        {
            options.DefaultAuthenticateScheme = JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme;
            options.DefaultChallengeScheme = JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme;
        }).
        AddJwtBearer(options =>
        {
            options.TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
            {
                ValidIssuer = config.Issuer,
                ValidAudience = config.Audience,
                IssuerSigningKey = new SymmetricSecurityKey(Encoding.UTF8.GetBytes(config.IssuerSigningKey)),
                ClockSkew = TimeSpan.FromMinutes(1)
            };
        });
        #endregion

        services.AddMvc().SetCompatibilityVersion(CompatibilityVersion.Version_2_2);
    }

    // This method gets called by the runtime. Use this method to configure the HTTP request pipeline.
    public void Configure(IApplicationBuilder app, IHostingEnvironment env)
    {
        if (env.IsDevelopment())
        {
            app.UseDeveloperExceptionPage();
        }
        app.UseAuthentication();
        app.UseMvc();
    }
}
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 這裡同樣用到了配置：

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public class JWTConfig
    {
        public string Issuer { get; set; }
        public string Audience { get; set; }
        public string IssuerSigningKey { get; set; }
        public int AccessTokenExpiresMinutes { get; set; }
    }
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 appsettings.json：

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"JWT": {
    "Issuer": "FlyLolo",
    "Audience": "TestAudience",
    "IssuerSigningKey": "FlyLolo1234567890",
    "AccessTokenExpiresMinutes": "30"
  }
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 關于JWT認證，這裡通過options.TokenValidationParameters對認證資訊做了設定，ValidIssuer、ValidAudience、IssuerSigningKey這三個參數用于驗證Token生成的時候填寫的Issuer、Audience、IssuerSigningKey，是以值要和生成Token時的設定一緻。

ClockSkew預設值為5分鐘，它是一個緩沖期，例如Token設定有效期為30分鐘，到了30分鐘的時候是不會過期的，會有這麼個緩沖時間，也就是35分鐘才會過期。為了友善測試（不想等太長時間），這裡我設定了1分鐘。

TokenValidationParameters還有一些其他參數，在它的構造方法中已經做了預設設定，代碼如下：

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public TokenValidationParameters()
{
    RequireExpirationTime = true;  
    RequireSignedTokens = true;    
    SaveSigninToken = false;
    ValidateActor = false;
    ValidateAudience = true;  //是否驗證接受者
    ValidateIssuer = true;   //是否驗證釋出者
    ValidateIssuerSigningKey = false;  //是否驗證秘鑰
    ValidateLifetime = true; //是否驗證過期時間
    ValidateTokenReplay = false;
 }
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 通路api/book，正常傳回了結果

["ASP","C#"]

 通過POST方式通路，傳回401錯誤。

這就需要使用擷取到的Toke了，如下圖方式再次通路

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添加了“Authorization: bearer Token内容”這樣的Header，可以正常通路了。

至此，簡單的JWT認證示例就完成了，代碼位址https://github.com/FlyLolo/JWT.Demo/releases/tag/1.0。

這裡可能會有個疑問，例如：

   1.Token被盜了怎麼辦？

    答: 在啟用Https的情況下，Token被放在Header中還是比較安全的。另外Token的有效期不要設定過長。例如可以設定為1小時（微信公衆号的網頁開發的Token有效期為2小時）。

   2. Token到期了如何處理？

   答：理論上Token過期應該是跳到登入界面，但這樣太不友好了。可以在背景根據Token的過期時間定期去請求新的Token。下一節來示範一下Token的重新整理方案。

五、Token的重新整理

   為了使用戶端能夠擷取到新的Token，對上文的例子進行改造，大概思路如下：

  1. 使用者登入成功的時候，一次性給他兩個Token，分别為AccessToken和RefreshToken，AccessToken用于正常請求，也就是上例中原有的Token，RefreshToken作為重新整理AccessToken的憑證。
  2. AccessToken的有效期較短，例如一小時，短一點安全一些。RefreshToken有效期可以設定長一些，例如一天、一周等。
  3. 當AccessToken即将過期的時候，例如提前5分鐘，用戶端利用RefreshToken請求指定的API擷取新的AccessToken并更新本地存儲中的AccessToken。

是以隻需要修改FlyLolo.JWT.Server即可。

首先修改Token的傳回方案，新增一個Model

public class ComplexToken
    {
        public Token AccessToken { get; set; }
        public Token RefreshToken { get; set; }
    }

包含AccessToken和RefreshToken，用于使用者登入成功後的Token結果傳回。

修改 appsettings.json，添加兩個配置項：

"RefreshTokenAudience": "RefreshTokenAudience", 
    "RefreshTokenExpiresMinutes": "10080" //60*24*7

RefreshTokenExpiresMinutes用于設定RefreshToken的過期時間，這裡設定了7天。RefreshTokenAudience用于設定RefreshToken的接受者，與原Audience值不一緻，作用是使RefreshToken不能用于通路應用服務的業務API，而AccessToken不能用于重新整理Token。

修改TokenHelper：

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public enum TokenType
    {
        AccessToken = 1,
        RefreshToken = 2
    }
    public class TokenHelper : ITokenHelper
    {
        private IOptions<JWTConfig> _options;
        public TokenHelper(IOptions<JWTConfig> options)
        {
            _options = options;
        }

        public Token CreateAccessToken(User user)
        {
            Claim[] claims = new Claim[] { new Claim(ClaimTypes.NameIdentifier, user.Code), new Claim(ClaimTypes.Name, user.Name) };

            return CreateToken(claims, TokenType.AccessToken);
        }

        public ComplexToken CreateToken(User user)
        {
            Claim[] claims = new Claim[] { new Claim(ClaimTypes.NameIdentifier, user.Code), new Claim(ClaimTypes.Name, user.Name)
                //下面兩個Claim用于測試在Token中存儲使用者的角色資訊，對應測試在FlyLolo.JWT.API的兩個測試Controller的Put方法，若用不到可删除
                , new Claim(ClaimTypes.Role, "TestPutBookRole"), new Claim(ClaimTypes.Role, "TestPutStudentRole")
            };

            return CreateToken(claims);
        }

        public ComplexToken CreateToken(Claim[] claims)
        {
            return new ComplexToken { AccessToken = CreateToken(claims, TokenType.AccessToken), RefreshToken = CreateToken(claims, TokenType.RefreshToken) };
        }

        /// <summary>
        /// 用于建立AccessToken和RefreshToken。
        /// 這裡AccessToken和RefreshToken隻是過期時間不同，【實際項目】中二者的claims内容可能會不同。
        /// 因為RefreshToken隻是用于重新整理AccessToken，其内容可以簡單一些。
        /// 而AccessToken可能會附加一些其他的Claim。
        /// </summary>
        /// <param name="claims"></param>
        /// <param name="tokenType"></param>
        /// <returns></returns>
        private Token CreateToken(Claim[] claims, TokenType tokenType)
        {
            var now = DateTime.Now;
            var expires = now.Add(TimeSpan.FromMinutes(tokenType.Equals(TokenType.AccessToken) ? _options.Value.AccessTokenExpiresMinutes : _options.Value.RefreshTokenExpiresMinutes));//設定不同的過期時間
            var token = new JwtSecurityToken(
                issuer: _options.Value.Issuer,
                audience: tokenType.Equals(TokenType.AccessToken) ? _options.Value.Audience : _options.Value.RefreshTokenAudience,//設定不同的接受者
                claims: claims,
                notBefore: now,
                expires: expires,
                signingCredentials: new SigningCredentials(new SymmetricSecurityKey(Encoding.UTF8.GetBytes(_options.Value.IssuerSigningKey)), SecurityAlgorithms.HmacSha256));
            return new Token { TokenContent = new JwtSecurityTokenHandler().WriteToken(token), Expires = expires };
        }

        public Token RefreshToken(ClaimsPrincipal claimsPrincipal)
        {
            var code = claimsPrincipal.Claims.FirstOrDefault(m => m.Type.Equals(ClaimTypes.NameIdentifier));
            if (null != code )
            {
                return CreateAccessToken(TemporaryData.GetUser(code.Value.ToString()));
            }
            else
            {
                return null;
            }
        }
    }
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在登入後，生成兩個Token傳回給用戶端。在TokenHelper添加了一個RefreshToken方法，用于生成新的AccessToken。對應在TokenController中添加一個名為Post的Action，用于調用這個RefreshToken方法重新整理Token

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[HttpPost]
[Authorize]
public IActionResult Post()
{
    return Ok(tokenHelper.RefreshToken(Request.HttpContext.User));
}
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這個方法添加了[Authorize]辨別，說明調用它需要RefreshToken認證通過。既然啟用了認證，那麼在Startup檔案中需要像上例的業務API一樣做JWT的認證配置。

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public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
        {
            #region 讀取配置資訊
            services.AddSingleton<ITokenHelper, TokenHelper>();
            services.Configure<JWTConfig>(Configuration.GetSection("JWT"));
            JWTConfig config = new JWTConfig();
            Configuration.GetSection("JWT").Bind(config);
            #endregion

            #region 啟用JWT
            services.AddAuthentication(Options =>
            {
                Options.DefaultAuthenticateScheme = JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme;
                Options.DefaultChallengeScheme = JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme;
            }).
             AddJwtBearer(options =>
             {
                 options.TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
                 {
                     ValidIssuer = config.Issuer,
                     ValidAudience = config.RefreshTokenAudience,
                     IssuerSigningKey = new SymmetricSecurityKey(Encoding.UTF8.GetBytes(config.IssuerSigningKey))
                 };
             });
            #endregion

            services.AddMvc().SetCompatibilityVersion(CompatibilityVersion.Version_2_2);
        }
應用JWT進行使用者認證及Token的重新整理 - 一個大西瓜咚咚咚

 注意這裡的ValidAudience被指派為config.RefreshTokenAudience，和FlyLolo.JWT.API中的不一緻，用于防止AccessToken和RefreshToken的混用。

再次通路/api/token?code=002&pwd=222222，會傳回兩個Token：

應用JWT進行使用者認證及Token的重新整理 - 一個大西瓜咚咚咚
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應用JWT進行使用者認證及Token的重新整理 - 一個大西瓜咚咚咚

 可以使用RefreshToken去請求新的AccessToken

應用JWT進行使用者認證及Token的重新整理 - 一個大西瓜咚咚咚

測試用AccessToken可以正常通路FlyLolo.JWT.API，用RefreshToken則不可以。

至此，Token的重新整理功能改造完成。代碼位址：https://github.com/FlyLolo/JWT.Demo/releases/tag/1.1

疑問：RefreshToken有效期那麼長，被盜了怎麼辦，和直接将AccessToken的有效期延長有什麼差別？

個人認為：1. RefreshToken不像AccessToken那樣在大多數請求中都被使用。2. 應用類的API較多，對應的服務（器）也可能較多，是以洩露的機率更大一些。

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