【Python】Python-JOSE：Python 中的 JSON Web Token 处理库

Python-JOSE 是一个用于处理 JSON Web Token (JWT) 和 JOSE (JSON Object Signing and Encryption) 标准的 Python 库。它支持对 JWT 进行签名、加密、解密和验证等操作，是处理基于 OAuth 2.0 和 OpenID Connect 协议的身份验证和授权任务的理想选择。Python-JOSE 实现了 JOSE 规范中定义的 JWS (JSON Web Signature)、JWE (JSON Web Encryption)、JWK (JSON Web Key) 和 JWA (JSON Web Algorithms)，为开发者提供了全面的 JWT 处理支持。

在本篇博客中，我们将详细介绍 Python-JOSE 的功能，演示如何使用它处理 JWT 以及一些常见的使用场景。

💯 什么是 JSON Web Token (JWT)？

JWT 是一种基于 JSON 的开放标准（RFC 7519），它定义了一种紧凑的、可用于不同场景的令牌格式。JWT 通常用于在身份验证和授权系统中，安全地传递信息。一个 JWT 由三个部分组成：头部（Header）、有效载荷（Payload） 和 签名（Signature）。这三个部分通过点 (.) 分隔。典型的 JWT 结构如下：

header.payload.signature

JWT 的使用场景包括：

• 身份验证：使用 JWT 在用户登录后生成一个令牌，该令牌在后续请求中用于验证用户身份。
• 授权：通过 JWT 携带用户权限信息，来控制资源的访问。
• 安全传输信息：JWT 可以对数据进行签名或加密，以确保数据的完整性和保密性。

💯 Python-JOSE 的安装

安装 Python-JOSE 非常简单，可以使用 pip 命令进行安装：

pip install python-jose

安装后，你就可以导入 jose 模块并开始使用库的功能。

💯 使用 Python-JOSE 生成和验证 JWT

生成 JWT

使用 Python-JOSE 生成 JWT 非常简单，以下示例展示了如何使用对称密钥（HMAC）生成一个 JWT：

from jose import jwt# 定义密钥
secret_key = 'my_secret_key'# 定义 JWT 的有效载荷
payload = {"sub": "1234567890","name": "John Doe","admin": True
}# 使用 HS256 算法生成 JWT
token = jwt.encode(payload, secret_key, algorithm='HS256')
print(f"Generated JWT: {token}")

在这个例子中，我们定义了一个简单的有效载荷，包括用户的 ID 和角色信息，并使用 HS256 算法进行签名生成 JWT。生成的 JWT 可以用于后续的身份验证请求。

验证 JWT

生成的 JWT 可以通过 Python-JOSE 进行验证，以下是验证 JWT 的示例：

from jose import jwt# 定义密钥
secret_key = 'my_secret_key'# 已生成的 JWT
token = 'eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9.-5q9_BqJsxC_HsszqPIzGcXjG7knIczjfNYoHvCRklM'# 验证 JWT 并解码有效载荷
try:decoded_payload = jwt.decode(token, secret_key, algorithms=['HS256'])print(f"Decoded Payload: {decoded_payload}")
except jwt.JWTError as e:print(f"Invalid token: {e}")

在这个例子中，我们使用 jwt.decode 方法验证 JWT，并解码有效载荷。如果签名无效或令牌已被篡改，验证将失败并抛出 JWTError 异常。

使用非对称密钥签名和验证 JWT

除了对称密钥签名，Python-JOSE 还支持使用非对称密钥（如 RSA）进行签名和验证。以下是使用 RSA 密钥生成和验证 JWT 的示例：

生成 RSA JWT

from jose import jwt
from cryptography.hazmat.primitives import serialization# 读取 RSA 私钥
with open('rsa_private_key.pem', 'rb') as key_file:private_key = serialization.load_pem_private_key(key_file.read(),password=None,)# 定义有效载荷
payload = {"sub": "1234567890","name": "Jane Doe","admin": False
}# 使用 RSA256 算法生成 JWT
token = jwt.encode(payload, private_key, algorithm='RS256')
print(f"Generated JWT with RSA: {token}")

验证 RSA JWT

from jose import jwt
from cryptography.hazmat.primitives import serialization# 读取 RSA 公钥
with open('rsa_public_key.pem', 'rb') as key_file:public_key = serialization.load_pem_public_key(key_file.read(),)# 验证 JWT 并解码
try:decoded_payload = jwt.decode(token, public_key, algorithms=['RS256'])print(f"Decoded Payload: {decoded_payload}")
except jwt.JWTError as e:print(f"Invalid token: {e}")

这个示例展示了如何使用 RSA 私钥签名生成 JWT，并使用 RSA 公钥验证和解码令牌。

💯 Python-JOSE 支持的算法

Python-JOSE 支持多种加密和签名算法，包括对称和非对称算法。以下是支持的主要算法列表：

算法类型	算法名称	说明
对称签名算法	HS256, HS384, HS512	HMAC 使用 SHA-256/384/512 算法进行签名
非对称签名算法	RS256, RS384, RS512	RSA 使用 SHA-256/384/512 算法进行签名
非对称签名算法	ES256, ES384, ES512	ECDSA 使用 SHA-256/384/512 算法进行签名
非对称签名算法	PS256, PS384, PS512	RSA-PSS 使用 SHA-256/384/512 算法进行签名
加密算法	A128KW, A256KW	AES 密钥包装算法
加密算法	A128GCMKW, A256GCMKW	AES GCM 密钥包装算法
加密算法	A128CBC-HS256, A256CBC-HS512	AES CBC 加密算法与 HMAC 结合

通过这些算法，开发者可以灵活选择合适的加密和签名方式来保护 JWT 的安全。

💯 JWT 使用场景

JWT 广泛应用于各种身份验证和授权场景中，以下是一些常见的使用场景：

身份验证

在用户成功登录后，服务器可以生成一个 JWT 并将其返回给客户端。客户端将该 JWT 存储在本地（如浏览器的 localStorage），并在每次请求时将其发送给服务器。服务器通过验证 JWT 来确认用户的身份。

API 认证

在构建 RESTful API 时，JWT 常用于认证 API 请求。客户端在每次调用 API 时将 JWT 添加到请求头中，服务器通过验证 JWT 来确认请求的合法性。

OAuth 2.0 和 OpenID Connect

JWT 是 OAuth 2.0 和 OpenID Connect 协议中的标准令牌格式，用于传递身份验证信息。JWT 可以携带用户的身份和权限信息，授权客户端访问受保护的资源。

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💬 结语

Python-JOSE 是一个功能强大的库，专门用于处理 JWT 和 JOSE 标准的各种操作。它支持多种加密和签名算法，能够满足不同应用场景下的安全需求。通过 Python-JOSE，开发者可以轻松生成、验证和管理 JWT，从而实现安全、可靠的身份验证和授权机制。

无论是为 Web 应用实现单点登录，还是构建安全的 RESTful API，Python-JOSE 都为开发者提供了简洁易用的工具。如果你需要在 Python 项目中处理 JWT，不妨尝试使用 Python-JOSE。

📒 参考文献

• Python-JOSE GitHub仓库