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一篇文章搞懂 bcrypt、JWT、jsonwebtoken、簽章與加密

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一篇文章搞懂 bcrypt、JWT、簽章與加密

如果你是軟體工程師，但從來沒有搞懂登入系統是怎麼設計的，這篇文章想先帶你了解幾個觀念，包括 bcrypt、JWT、jsonwebtoken、簽章與加密。

讓你不管是遇到登入需求、要串接前後端驗證機制，還是要讓 AI 幫你開發時，都能分得清楚每個名詞到底在做什麼、彼此的關係是什麼，以及哪些地方最容易搞混。

這篇文章會用登入流程的角度，依序講解：

  • bcrypt
  • JWT
  • Base64URL
  • jsonwebtoken
  • stateless / stateful
  • session

那我們就開始吧！

一、bcrypt 是什麼？不是加密

bcrypt 的角色

bcrypt 用來處理密碼的，

在資料庫中，我們不會直接儲存用戶的密碼，因為如果被有心人士入侵資料庫，那所有人的資料都會外洩，

因此，我們需要 bcrypt 幫我們做一個不可逆的密碼轉換。

比如密碼是：123456，經過 bcrypt 後，密碼就會變成類似這樣：$2b$10$8QvJYF9m1G0nQmRz0XlS3eN1QvWmK7x0wM4Jf3mY9nG5xT2cL8p6W

這種把任意資料轉換成一段不可逆字串的運算方式，被稱為** Hash（雜湊）**，bcrypt 就是一種 password hash function，專門用來實現密碼雜湊的工具。

只不過 bcrypt 除了雜湊以外，還會搭配加鹽，加鹽的意思是加入一段隨機字串和密碼一起進行 hash，概念類似於：hash(password + salt)，如果沒有加鹽，那相同的密碼會 hash 出相同的結果。

不過我們不需要看懂這串字在幹嘛，只要知道資料庫裡存的不是原始密碼，而是這串文字。

假設註冊流程是這樣：

  1. 使用者註冊時輸入密碼 123456
  2. 後端用 bcrypt 把它轉成一串文字
  3. 資料庫儲存的是這段被轉換後的文字，不是明文密碼

到了登入時：

  1. 使用者再次輸入密碼 123456
  2. 後端不是拿明文密碼去解密
  3. 而是用 bcrypt 的 compare 機制，檢查這次輸入的密碼能不能對上資料庫那串文字
  4. 對得上就登入成功，對不上就失敗

也就是說，除了你自己，系統和開發者根本不需要知道你的原始密碼，我們只需要知道你這次輸入的密碼，能不能和之前存下來的資料對上就好了。

注意 bcrypt 不是加密，因為它不能被解密，即使拿到雜湊值也無法還原密碼。

二、JWT 是什麼？也不是加密

JWT（JSON Web Token）是一種 Token 的格式與規範，用來：

  • 承載身分資訊（claims）
  • 證明這份資料沒有被竄改
  • 證明 token 是由可信的一方簽發

JWT 預設是不加密內容的，它由三段組成，分別是：

header.payload.signature

其中只有 signature 是安全核心，前兩段通常長這樣：

header 用來描述這顆 JWT 的基本資訊，常見內容例如：

{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}
  • alg：簽章演算法，例如 HS256、RS256
  • typ：通常是 JWT

payload

payload 用來放 claims，也就是這顆 token 想傳遞的資料，例如：

{
"sub": "123",
"role": "admin",
"iat": 1710000000,
"exp": 1710003600
}
  • sub：這顆 token 代表誰，通常是 user id
  • role：角色或權限資訊
  • iat：簽發時間
  • exp：過期時間

要注意的是，payload 是可被讀取的資料，它可不是什麼保險箱，任何人拿到 JWT 都能解碼出攜帶的資料（payload）。

因此它適合放識別與授權判斷需要的資訊，例如用戶名稱，千萬不要放密碼、身分證字號、信用卡等敏感內容。

補充：更準確應該說，多數 JWT 實作是 JWS（簽章），不是加密。但 JWT 規範也支援 JWE（加密）。

三、Base64URL 在 JWT 中的角色

那 JWT 裡的 header 和 payload 是怎麼被儲存的呢？

這就要講到 Base64URL。

不過在講 Base64URL 之前，要先知道什麼是 Base64。

什麼是 Base64？

Base64 是一種編碼方式，作用是把原本的文字資料，轉成只包含英數字和少數符號的字串。

它不是在保護資料，只是換一種比較方便傳輸的寫法。

例如一段 JSON：

{
"sub": "123",
"role": "admin"
}

可以被編碼成一串 Base64 文字，這樣在網路傳輸時會比較方便處理。

而 Base64URL 是把被編碼成 Base64 文字的資料：變成可以安全放在 HTTP header / cookie / URL 裡的字串

可以把 Base64URL 理解成「Base64 的 URL / Header 安全版本」。

一般 Base64 會用到 +、/、= 這些字元，但這些字元放進 URL、cookie、HTTP header 時有時會造成額外處理上的麻煩，因此 JWT 改用 Base64URL：

  • 把 + 換成
  • 把 / 換成 _
  • 常常省略尾端的 =

所以它本質上只是編碼格式，用途是讓字串更適合在網路傳輸，不是拿來保護內容。

它和 JWT 的演算法是什麼關係？

這裡很容易搞混，因為 JWT 裡同時出現了 Base64URL 和 alg，但這兩者做的是完全不同的事：

  • Base64URL：負責編碼 header 和 payload，讓它們變成適合傳輸的字串
  • alg：負責簽章演算法，例如 HS256、RS256，用來產生與驗證 signature

也就是說，Base64URL 不是加密演算法也不是簽章演算法，只是把資料格式轉成字串格式。

真正和安全性直接相關的，是後面用 alg 產生出來的 signature，不是 Base64URL 本身。

四、簽章（Signature）是什麼？和加密差在哪

在上面有提到， JWT 中的 header 有 alg 用來表示簽章算法，不知道你有沒有想過，這個簽章和加密有什麼不同呢？

加密（Encryption）

目的：保密

  • 沒有金鑰，就看不懂內容
  • 可以解密還原
  • 用在 HTTPS、資料保護

簽章（Signature）

目的：完整性 + 真實性

  • 內容看得到
  • 但不能被偷改
  • 能確認是誰簽的

更精確地說，簽章讓接收方能驗證內容是否被修改過。

如果有人改了 header 或 payload，原本的 signature 通常就會失效，伺服器在驗證時就能發現這顆 token 不合法，然後拒絕使用它。

所以白話一點說：JWT 不是把內容藏起來，而是在內容下面蓋一個防偽章。

大家都看得到內容，但如果有人偷偷改內容，這個防偽章就會對不上，伺服器一驗就知道這張 token 是假的。

五、jsonwebtoken 這個 library 在做什麼？

那我們要怎麼做出 JWT 呢？

當然不可能自己去寫簽章算法啦，所以就可以使用 jsonwebtoken ，他是一個 JWT 規範的實作工具，會幫我們處理：

1. 簽發 token（sign）

  • JSON 序列化
  • Base64URL 編碼
  • 使用指定演算法產生 signature
  • 組合成 JWT 字串

2. 驗證 token（verify）

  • 驗 signature 是否正確（內容有無被修改過）
  • 確保 token 未被竄改、未過期

3. 解析 token（decode）

  • 不驗證
  • 只用於反向解析出 payload 的內容

六、session 是什麼？

除了 bcrypt、JWT 等，還有一個名詞經常出現在登入系統中，那就是 session。

session 可以把它理解成：使用者登入後，伺服器替這次登入建立的一份「登入狀態的紀錄」。

典型流程是：

  1. 使用者登入成功
  2. 伺服器建立一筆 session，存到記憶體、Redis 或資料庫
  3. 伺服器把 session id 回傳給瀏覽器，通常放在 cookie
  4. 之後每次 request，瀏覽器都帶上 session id
  5. 伺服器根據 session id 找回這位使用者的登入狀態
  6. 這樣我們就能判斷用戶有沒有登入

session 很常搭配 cookie 使用，瀏覽器會自動帶上 session id；JWT 則不一定，有些系統會把 JWT 放在 cookie，也有些會放在 Authorization header。

所以更精確地說，重點不是「它放在哪裡」，而是：

  • session：後端拿到 session id 後，要回頭查 server 端保存的狀態
  • JWT：後端拿到 token 後，先驗簽，再決定能不能相信其中的內容

而 session 和 JWT 最大的差異在於：

  • session：狀態直接存在 server 中
  • JWT：狀態直接放進 token，由 server 驗簽後信任內容

因此 session 就是所謂的 stateful， 而 JWT 常被稱為 stateless。

所謂 stateful，意思是：伺服器自己有記住「這個人目前的登入狀態」。

例如 session id 只是鑰匙，真正的使用者資料、登入時間、權限或其他狀態，都還存放在 server 資料庫中。每次 request 來時，server 都要根據這把鑰匙把那份狀態找出來。

相對地，JWT 之所以常被叫做 stateless，是因為伺服器理論上不一定需要另外保存這份登入狀態，只要驗簽成功，就能直接相信 token 裡的內容。

不過實務上只要你加入 refresh token 等機制後，通常又會回到某種程度的 stateful。

總結

相信看到這邊，你對這些在登入、驗證系統中常見的名詞，有一定程度的了幾了，這邊最後總結一下：

  • bcrypt：驗證你知不知道密碼
  • JWT：證明你已登入，且資料沒被改
  • jsonwebtoken：JWT 的生產與驗證工具
  • Base64URL：把資料變成適合放進 URL、cookie、header 的格式，但不是安全機制
  • 簽章 ≠ 加密：簽章用來判斷資料有沒有被修改過，加密用來保護資料

希望這篇文章，有幫你了解關於驗證、授權等系統的相關概念～！

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