ASP.NET Core 使用 JWT 搭建分布式无状态身份验证系统

本文涉及的产品
密钥管理服务KMS,1000个密钥,100个凭据,1个月
简介: 原文:ASP.NET Core 使用 JWT 搭建分布式无状态身份验证系统升级到 Asp.Net Core 2.0 (2017/08/29 更新) 为什么使用 Jwt 最近,移动开发的劲头越来越足,学校搞的各种比赛都需要用手机 APP 来撑场面,所以,作为写后端的,很有必要改进一下以往的基于 ...
原文: ASP.NET Core 使用 JWT 搭建分布式无状态身份验证系统

升级到 Asp.Net Core 2.0 (2017/08/29 更新)

为什么使用 Jwt

最近,移动开发的劲头越来越足,学校搞的各种比赛都需要用手机 APP 来撑场面,所以,作为写后端的,很有必要改进一下以往的基于 Session 的身份认证方式了,理由如下:

  1. 移动端经常要保持长时间(1 到 2 星期)在线,但是 Session 却不好在服务端保存这么久,虽然可以持久化到数据库,但是还是挺费资源
  2. 移动端往往不是使用的网页技术,所以藏在 Cookie 里面的 SessionId 不是很方便的传递给服务端
  3. 服务端暴露给客户端的接口往往是 RESTful 风格的,这是一种无状态的 API 风格,所以身份认证的方式最好也是无状态的才好

所以我选择了使用 Jwt (Json Web Token) 这个技术。Jwt 是一种无状态的分布式的身份验证方式,与 Session 相反,Jwt 将用户信息存放在 Token 的 payload 字段保存在客户端,通过 RSA 加密的方式,保证数据不会被篡改,验证数据有效性。
下面是一个使用 Jwt 的系统的身份验证流程:

image_1bfoostkp1rc3q5gn7o1nqs10c99.png-59.6kB

可以看出,用户的信息保存在 Token 中,而 Token 分布在用户的设备中,所以服务端不再需要在内存中保存用户信息了
身份认证的 Token 传递时以一种相当简单的格式保存在 header 中,方便客户端对其进行操作

Jwt 简介

Jwt 形式的 token 一般分为 3 个部分,分别是 Header,Payload,Signature,这三个部分使用 . 分隔。其中前两部分使用 Base64 编码,未经加密处理,第三个部分使用 RSA 加密。
所以一个 Jwt 看起来大概是这个样子:

header.payload.signature

下面是一个真实的 Jwt:

eyJhbGciOiJSUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJ1bmlxdWVfbmFtZSI6InplZWtvIiwicm9sZSI6IiIsIm5hbWVpZCI6MSwianRpIjoiNjNjN2Q3OWY2N2VhMDhjYjRiYzNjMmNkOTJiY2JkNTgiLCJuYmYiOjE0OTQ0MDMwMjQsImV4cCI6MTQ5NTAwNzgyMywiaWF0IjoxNDk0NDAzMDI0LCJpc3MiOiJUZXN0SXNzdWVyIiwiYXVkIjoiVGVzdEF1ZGllbmNlIn0.V7Mfi3FGOTLYV0O5DmOWju7LkDJwZNO6HZN19CHb3ekYxcoVbP51YjYAr0fUHc3RPIp3gxITzziHY-07xZ2swCaV0K-hiF5IbwpDuvyxsnlgaRxS94wKDGKSJkArC82KukCtm7IuFBxnNr6kxe7tGcebVhqtaqgnxEUg5lKtDtVI85kd17YtzBp9Vxnc3Ie0r-6KPgUa2HacCf2Pc3hkvY7tZdWZ6ininZlZ-EbcyZI2KTx-vOqdK63MS2JYSw7W2qwf89tsRsORwbB2P4dOBBFK8YSXJpeyGeJWFEMjAMkiH3AeMmW2w_H7r_6Pn-jh5gozzBei4JoHTU6RVDUg1A

Header

Header 部分一般用来记录加密算法跟 Token 类型
举个例子:

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

Payload

Payload 存放的是一些不敏感的用户数据,因为这一部分仅仅只是使用 Base64 加密,所以不应该用来保存用户的密码之类的信息。

一个例子:

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "admin": true
}

Signature

这一部分是 Jwt 最重要的部分,使用 header 中记录的算法进行了加密,加密方式如下:

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

所以这个部分可以用来保证用户信息不被篡改,起到验证用户身份的作用

在开发过程中,可以访问 https://jwt.io 来调试 Token
当然,为了更快的访问速度,还可以使用 这个网站

在 ASP.NET Core 中使用 Jwt

因为 Jwt 本身的特点,所以用来签发 Token 的服务器可以跟应用服务器不是同一台,这样就可以搞微服务之类的东西(反正我不懂。。。)
因此,在这篇博客中,将会创建两个 Web 应用:

  • JwtIssuer // 用来签发 Token
  • JwtAudience // 应用服务器,提供 API 的

image_1bfoq5a6k16231f5k291fba1f0fm.png-2.6kB

首先来搭建我们的 Token 签发服务器吧!

签发第一个 Token

由于要使用到 RSA 加密,所以先创建一个辅助类来帮助简化调用:

RSAUtils.cs

using System.IO;
using System.Security.Cryptography;
using Newtonsoft.Json;

namespace JwtUtils
{
    public static class RSAUtils
    {
        /// <summary>
        /// 从本地文件中读取用来签发 Token 的 RSA Key
        /// </summary>
        /// <param name="filePath">存放密钥的文件夹路径</param>
        /// <param name="withPrivate"></param>
        /// <param name="keyParameters"></param>
        /// <returns></returns>
        public static bool TryGetKeyParameters(string filePath, bool withPrivate, out RSAParameters keyParameters)
        {
            string filename = withPrivate ? "key.json" : "key.public.json";
            keyParameters = default(RSAParameters);
            if (Directory.Exists(filePath) == false) return false;
            keyParameters = JsonConvert.DeserializeObject<RSAParameters>(File.ReadAllText(Path.Combine(filePath, filename)));
            return true;
        }

        /// <summary>
        /// 生成并保存 RSA 公钥与私钥
        /// </summary>
        /// <param name="filePath">存放密钥的文件夹路径</param>
        /// <returns></returns>
        public static RSAParameters GenerateAndSaveKey(string filePath)
        {
            RSAParameters publicKeys, privateKeys;
            using (var rsa = new RSACryptoServiceProvider(2048))
            {
                try
                {
                    privateKeys = rsa.ExportParameters(true);
                    publicKeys = rsa.ExportParameters(false);
                }
                finally
                {
                    rsa.PersistKeyInCsp = false;
                }
            }
            File.WriteAllText(Path.Combine(filePath, "key.json"), JsonConvert.SerializeObject(privateKeys));
            File.WriteAllText(Path.Combine(filePath, "key.public.json"), JsonConvert.SerializeObject(publicKeys));
            return privateKeys;
        }
    }
}

这个工具类能够帮助我们生成 RSA 密钥,并把生成的私钥跟公钥保存在两个文件中,还能从文件中读取密钥。

然后定义一个数据类,用来帮助我们在应用的各个地方获取加密相关的信息:

JWTTokenOptions.cs

using Microsoft.IdentityModel.Tokens;

namespace JwtUtils
{
    public class JWTTokenOptions
    {
        public string Audience { get; set; }
        public RsaSecurityKey Key { get; set; }
        public SigningCredentials Credentials { get; set; }
        public string Issuer { get; set; }
    }
}

接下来在 Startup.cs 中配置 Jwt 的加密选项:

public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
        {
            // 省略了其他的东西
            
            // 从文件读取密钥
            string keyDir = PlatformServices.Default.Application.ApplicationBasePath;
            if (RSAUtils.TryGetKeyParameters(keyDir, true, out RSAParameters keyParams) == false)
            {
                keyParams = RSAUtils.GenerateAndSaveKey(keyDir);
            }
            _tokenOptions.Key = new RsaSecurityKey(keyParams);
            _tokenOptions.Issuer = "TestIssuer"; // 签发者名称
            _tokenOptions.Credentials = new SigningCredentials(_tokenOptions.Key, SecurityAlgorithms.RsaSha256Signature);
            // 添加到 IoC 容器
            services.AddSingleton(_tokenOptions);
            
            services.AddMvc();
        }

接下来创建一个控制器,用来提供签发 Token 的 API

TokenController.cs

namespace JwtIssuer.Controllers
{
    [Route("api/[controller]")]
    public class TokenController : Controller
    {
        private readonly JWTTokenOptions _tokenOptions;
        private readonly AuthDbContext _dbContext;

        public TokenController(JWTTokenOptions tokenOptions, AuthDbContext dbContext)
        {
            _tokenOptions = tokenOptions;
            _dbContext = dbContext;
        }

        /// <summary>
        /// 生成一个新的 Token
        /// </summary>
        /// <param name="user">用户信息实体</param>
        /// <param name="expire">token 过期时间</param>
        /// <param name="audience">Token 接收者</param>
        /// <returns></returns>
        private string CreateToken(User user, DateTime expire, string audience)
        {
            var handler = new JwtSecurityTokenHandler();
            string jti = audience + user.Username + expire.GetMilliseconds();
            jti = jti.GetMd5(); // Jwt 的一个参数,用来标识 Token
            var claims = new[]
            {
                new Claim(ClaimTypes.Role, user.Role ?? string.Empty), // 添加角色信息
                new Claim(ClaimTypes.NameIdentifier, user.Id.ToString(), // 用户 Id ClaimValueTypes.Integer32),
                new Claim("jti",jti,ClaimValueTypes.String) // jti,用来标识 token
            };
            ClaimsIdentity identity = new ClaimsIdentity(new GenericIdentity(user.Username, "TokenAuth"), claims);
            var token = handler.CreateEncodedJwt(new SecurityTokenDescriptor
            {
                Issuer = "TestIssuer", // 指定 Token 签发者,也就是这个签发服务器的名称
                Audience = audience, // 指定 Token 接收者
                SigningCredentials = _tokenOptions.Credentials,
                Subject = identity,
                Expires = expire
            });
            return token;
        }

        /// <summary>
        /// 用户登录
        /// </summary>
        /// <param name="user">用户登录信息</param>
        /// <param name="audience">要访问的网站</param>
        /// <returns></returns>
        [HttpPost("{audience}")]
        public IActionResult Post([FromBody]User user, string audience)
        {
            DateTime expire = DateTime.Now.AddDays(7);

            // 在这里来验证用户的用户名、密码
            var result = _dbContext.Users.First(u => u.Username == user.Username && u.Password == user.Password);
            if (result == null)
            {
                return Json(new { Error = "用户名或密码错误" });
            }
            return Json(new { Token = CreateToken(result, expire, audience) });
        }
    }
}

现在,访问这个 API(http://localhost:port/api/token/TestAudience) 就可以获取用户的 Token 了

image_1bfovtq6k11cg2baslp1p0k1nkk34.png-85.4kB

在应用服务器验证 Token

在 Startup.cs 中注册 Jwt 相关的服务:

public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
        {
            // 省略了其他的内容
            
             // 从文件读取密钥
            string keyDir = PlatformServices.Default.Application.ApplicationBasePath;
            if (RSAUtils.TryGetKeyParameters(keyDir, false, out RSAParameters keyparams) == false)
            {
                _tokenOptions.Key = default(RsaSecurityKey);
            }
            else
            {
                _tokenOptions.Key = new RsaSecurityKey(keyparams);
            }
            _tokenOptions.Issuer = "TestIssuer"; // 设置签发者
            _tokenOptions.Audience = "TestAudience"; // 设置签收者,也就是这个应用服务器的名称
            _tokenOptions.Credentials = new SigningCredentials(_tokenOptions.Key, SecurityAlgorithms.RsaSha256Signature);

            services.AddAuthorization(auth =>
            {
                auth.AddPolicy("Bearer", new AuthorizationPolicyBuilder()
                    .AddAuthenticationSchemes(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme)
                    .RequireAuthenticatedUser()
                    .Build());
            });
            
            // Add framework services.
            services.AddMvc();
        }

然后在 Startup.cs 添加 Jwt 认证中间件:

public void Configure(IApplicationBuilder app, IHostingEnvironment env, ILoggerFactory loggerFactory)
        {
            // 省略了其他的内容

            app.UseJwtBearerAuthentication(new JwtBearerOptions
            {
                TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
                {
                    IssuerSigningKey = _tokenOptions.Key,
                    ValidAudience = _tokenOptions.Audience, // 设置接收者必须是 TestAudience
                    ValidIssuer = _tokenOptions.Issuer, // 设置签发者必须是 TestIssuer
                    ValidateLifetime = true
                }
            });

        }

接着随便创建一个 API 控制器

namespace JwtAudience.Controllers
{
    [Route("api/[controller]")]
    public class ValuesController : Controller
    {
        // GET api/values
        [HttpGet]
        [Authorize]
        public IEnumerable<string> Get()
        {
            return new string[] { "value1", "value2" };
        }
        
    }
}

首先编译一下应用服务器,但是不要急着运行。因为应用服务器验证 Token 是需要公钥的,所以现在去之前的签发服务器的 build 目录
image_1bfov9v1jngmv0p128d1mh81kn41g.png-46.4kB

可以看到生成了两个json文件,将其中的 key.public.json 拷贝到应用服务器的对应的目录下面,然后运行应用服务器。

如果我们直接访问应用服务器的 API,就会被挡在外面:

image_1bfovfiiqmcsofb1d0e14r2kd51t.png-47.6kB

所以现在去把之前拿到的 token 复制出来,然后给这个请求加个请求头——Authorization
值是 Bearer 你的Token

image_1bfovjhie6fu1erfca510t51f3j2a.png-46.4kB
这样,基本的身份验证就完成了~

有兴趣的话还可以把这个 Token 放在前面提到的用来调试 Jwt 网站上,我的 Token 的解析结果是:

image_1bfovmv6l12gi11c7rvu1duvo8f2n.png-39.8kB

这里面的 iss 指的就是签发者,aud 指的是接收者,对于我们的应用服务器来说,这两个参数错了任意一个都将无法通过验证(这里就不演示了,等会儿会有测试代码~)

真的足够安全?

至此,我们已经把 Jwt 的身份认证基本实现了,但是仔细想想,却发现存在一个很严重的问题————用户的 Token 在过期时间之内根本无法手动设置失效,随之而来的还有重放攻击等等问题!

Jwt官方也没有提供很好的应对方法,现在就只有一条路可以走,就是把失效的 Token 加入黑名单。只要能够让 Token 失效,之后应对这些安全问题就只是策略上的选择。

在 Jwt 的官方说明中,jti 这个参数就是用来标识 Token 的。所以,让一个 Token 失效只需要把这个 Token 中的 jti 加入应用服务器的数据库的黑名单就好了。

得益于微软对 Identity 良好的设计,我们可以很容易的拓展默认的 Jwt 认证规则

首先创建一个 ValidJtiRequirement 类

public class ValidJtiRequirement : IAuthorizationRequirement
{
}

嗯,他的结构就是这么简单。。。

然后创建一个用来验证这个 Requirement 的 ValidJtiHandler

public class ValidJtiHandler : AuthorizationHandler<ValidJtiRequirement>
{
    private readonly AudienceDbContext _dbContext;

    public ValidJtiHandler(AudienceDbContext dbContext)
    {
        _dbContext = dbContext;
    }
    protected override Task HandleRequirementAsync(AuthorizationHandlerContext context, ValidJtiRequirement requirement)
    {
        // 检查 Jti 是否存在
        var jti = context.User.FindFirst("jti")?.Value;
        if (jti == null)
        {
            context.Fail(); // 显式的声明验证失败
            return Task.CompletedTask;
        }

        // 检查 jti 是否在黑名单
        var tokenExists = _dbContext.BlackRecords.Any(r => r.Jti == jti);
        if (tokenExists)
        {
            context.Fail();
        }
        else
        {
            context.Succeed(requirement); // 显式的声明验证成功
        }
        return Task.CompletedTask;

    }
}

最后,稍微的修改一下注册服务时的代码

services.AddAuthorization(auth =>
{
    auth.AddPolicy("Bearer", new AuthorizationPolicyBuilder()
        .AddAuthenticationSchemes(JwtBearerDefaults.AuthenticationScheme)
        .RequireAuthenticatedUser()
        .AddRequirements(new ValidJtiRequirement()) // 添加上面的验证要求
        .Build());
});
// 注册验证要求的处理器,可通过这种方式对同一种要求添加多种验证
services.AddSingleton<IAuthorizationHandler, ValidJtiHandler>();

最后再来提供一个使 Token 失效的 API

namespace JwtAudience.Controllers
{
    [Route("api/[controller]")]
    public class TokenController : Controller
    {
        private readonly AudienceDbContext _dbContext;

        public TokenController(AudienceDbContext dbContext)
        {
            _dbContext = dbContext;
        }

        [HttpGet]
        public IActionResult Get() => Json(_dbContext.BlackRecords);

        /// <summary>
        /// 使用户的 Token 失效
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        [Authorize("Bearer")]
        [HttpDelete]
        public IActionResult Delete()
        {
            // 从 payload 中提取 jti 字段
            var jti = User.FindFirst("jti")?.Value;
            var userId = User.FindFirst(ClaimTypes.NameIdentifier)?.Value;
            if (jti == null)
            {
                HttpContext.Response.StatusCode = 400;
                return Json(new { Result = false });
            }
            // 把这个 jti 加入数据库
            _dbContext.BlackRecords.Add(new BlackRecord { Jti = jti, UserId = userId });
            _dbContext.SaveChanges();
            return Json(new {Result = true});
        }
    }
}

这里需要注意的是,因为拓展了默认的验证策略,所以需要在 Authorize 这个特性钦定使用 Bearer 策略:

[Authorize("Bearer")]

但是这样就容易在编码的时候出现拼写错误,所以来创建一个继承自这个特性的BearerAuthorize类。

namespace JwtAudience
{
    /// <summary>
    /// Jwt 验证
    /// </summary>
    public class BearerAuthorizeAttribute : AuthorizeAttribute
    {
        public BearerAuthorizeAttribute() : base("Bearer") { }
    }
}

现在我们就可以使用[BearerAuthorize]来替代[Authorize]

至此,使 token 失效的能力就具备了。

然后附带一份测试代码,用来检验认证过程是否符合我们的预期:
https://coding.net/u/zeeko/p/JwtApplication/git/blob/master/Test/Test.cs


升级到 Asp.Net Core 2.0 (2017/08/29)

花了一天时间来把项目升级到 2.0,并不是因为 API 变化很大,而是之前的 bug 有些多,修起来有些慢。

首先要升级 Program.cs 里面的 Main 函数:

public class Program
{
    public static void Main(string[] args)
    {
        BuildWebHost(args).Run();
    }

    public static IWebHost BuildWebHost(string[] args) =>
        WebHost.CreateDefaultBuilder(args)
            .UseStartup<Startup>()
            .Build();
}

看起来更简短了一些。

接下来升级认证配置,按照官方的说明,所有的 app.UseXxxAuthentication 方法都变成了 service.AddAuthentication(XxxSchema).AddXxx(),所以改动不是很大:

JwtIssuer/Startup.cs/ConfigureServices

services.AddAuthentication().AddJwtBearer(jwtOptions =>
{
    jwtOptions.TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
    {
        IssuerSigningKey = _tokenOptions.Key,
        ValidAudience = _tokenOptions.Audience,
        ValidIssuer = _tokenOptions.Issuer,
        ValidateLifetime = true
    };
});

JwtAudience/Startup.cs/ConfigureServices

services.AddAuthentication().AddJwtBearer(jwtOptions =>
{
    jwtOptions.TokenValidationParameters = new TokenValidationParameters
    {
        IssuerSigningKey = _tokenOptions.Key,
        ValidAudience = _tokenOptions.Audience,
        ValidIssuer = _tokenOptions.Issuer,
        ValidateLifetime = true
    };
});

至此,需要升级的地方就修改好了,但是到目前为止还是无法运行,因为有些在 1.0 里面没有严格检验的地方开始报错了。

第一个地方是 ValidJtiHandler,之前在注册的时候,生命周期选的是单例并没有报错,但是因为这个类依赖了一个生命周期是 Scoped 的对象—— AudienceDbContext,这会引发一个异常,解决方法是把 ValidJtiHandler 也改成 Scoped:

services.AddScoped<IAuthorizationHandler, ValidJtiHandler>();

第二个地方是 RSAParameters 在 2.x 里面,它的私钥属性不能被 Json.Net 序列化,解决方法也很简单,加一个对应的类似 DTO 的类:

class RsaParameterStorage
{
    public byte[] D { get; set; }
    public byte[] DP { get; set; }
    public byte[] DQ { get; set; }
    public byte[] Exponent { get; set; }
    public byte[] InverseQ { get; set; }
    public byte[] Modulus { get; set; }
    public byte[] P { get; set; }
    public byte[] Q { get; set; }
}

然后在导出私钥前将 RSAParameters 映射成一个 RsaParameterStorage对象,然后使用 Json.Net 来序列化,映射使用的是我自己写的一个 Mapper(所以升级项目只花了几十分钟,调教 Mapper 花了一天),代码更改如下:

// 转换成 json 字符串
static string ToJsonString(this RSAParameters parameters)
{
    var content = parameters.Map().To<RsaParameterStorage>();
    return JsonConvert.SerializeObject(content);
}

// 从文件中读取
keyParameters = JsonConvert.DeserializeObject<RsaParameterStorage>(File.ReadAllText(filePath)).Map().To<RSAParameters>();
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2月前
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存储 开发框架 JSON
ASP.NET Core 标识(Identity)框架系列(二):使用标识(Identity)框架生成 JWT Token
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2月前
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开发框架 NoSQL .NET
使用 Asp.net core webapi 集成配置系统,提高程序的灵活和可维护性
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2月前
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存储 缓存 开发框架
看看 Asp.net core Webapi 项目如何优雅地使用分布式缓存
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4月前
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开发框架 前端开发 .NET
LIMS(实验室)信息管理系统源码、有哪些应用领域?采用C# ASP.NET dotnet 3.5 开发的一套实验室信息系统源码
集成于VS 2019,EXT.NET前端和ASP.NET后端,搭配MSSQL 2018数据库。系统覆盖样品管理、数据分析、报表和项目管理等实验室全流程。应用广泛,包括生产质检(如石化、制药)、环保监测、试验研究等领域。随着技术发展,现代LIMS还融合了临床、电子实验室笔记本和SaaS等功能,以满足复杂多样的实验室管理需求。
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LIMS(实验室)信息管理系统源码、有哪些应用领域?采用C# ASP.NET dotnet 3.5 开发的一套实验室信息系统源码
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4月前
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Web App开发 开发框架 .NET
ASP淘特二手房房地产系统源码
ASP淘特二手房房地产系统源码主要提供了房屋信息出售、出租、求购、求租、合租等信息的发布平台。 本系统已提供成熟的赢利模式,通过向中介会员提供发布信息平台收取会员费为网站的主要收入来源,中介会员申请开通后,可以添加经济人和管理中介公司所属的房源信息。可在线续费购买服务期(支付宝接口)、购买置顶等。
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4月前
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JSON 开发框架 前端开发
技术经验分享:ASP.NETCoreMVC打造一个简单的图书馆管理系统(修正版)(七)学生信息增删
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5月前
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存储 JSON 算法
net core jwt的基本原理和实现
这篇文章介绍了.NET Core中JWT(JSON Web Token)的基本原理和实现。JWT是一种用于安全传输信息的开放标准,由头部、负载和签名三部分组成。在.NET Core中实现JWT,需要安装`Microsoft.AspNetCore.Authentication.JwtBearer`包,然后在`Startup.cs`配置JWT认证服务,包括设置密钥和验证参数。生成JWT令牌后,客户端存储并将其包含在请求头中发送给服务器进行验证和授权。JWT提供了一种无需服务器存储会话数据的安全身份验证和授权机制。
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5月前
使用JWT的服务分布式部署之后报错:JWT Check Failure:
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