React入门实战：用户认证在React应用中的实战应用

1.背景介绍

用户认证（Authentication）

用户认证(Authentication) 是应用中非常重要的一个功能模块。它通常由密码验证、二步验证等方式组成，用于保证用户的账户安全。目前市面上大多数公司都有自己的认证服务，但是对于小型互联网企业而言，自己搭建认证服务也不太现实，所以很多时候需要选择第三方提供商进行认证。比如腾讯QQ邮箱、微信支付、支付宝等，这些都是第三方认证服务提供商。如果开发者不想自己搭建认证服务器，又想用某种形式的用户认证，那么可以选择这些认证服务提供商。

React + OAuth

前端应用一般采用单页面模式，也就是所有的页面都在同一个页面内实现，每一次页面跳转都会刷新整个页面，这种情况下用户登录信息会丢失，用户需要重新登录。为了解决这个问题，现在许多公司都在研发基于 OAuth 的方案，OAuth 是 Open Authorization 的简称，是一种授权机制，通过 OAuth，第三方应用可以使用自身账号代替用户给予的授权申请，从而让用户无感知地获取资源访问权限。

采用 OAuth 的前端应用流程如下所示:

1. 用户访问前端应用，点击登录按钮。
2. 前端应用发送请求到后端，向 OAuth 服务请求用户的登录授权。
3. 用户同意后，OAuth 服务生成一个授权码并返回给前端应用。
4. 前端应用将授权码提交给后端，后端向 OAuth 服务请求令牌，并附带客户端 ID 和客户端密钥。
5. 如果授权码和客户端 ID / 密钥有效，OAuth 服务将生成访问令牌并返回给前端应用。
6. 前端应用将访问令牌存储起来，并在后续的 API 请求中携带，以完成认证过程。

实际项目中，前端应用可能存在多个 OAuth 服务供用户选择。比如 QQ、微信登录等。我们可以根据需求选择适合的服务，然后把令牌存储到前端应用本地，并在每次请求时自动添加到请求头中。这样就可以实现用户免登录状态下正常访问应用。

JWT

JSON Web Token (JWT) 是一种基于 JSON 格式的数据结构，可以用来表示令牌，用于身份验证或者信息交换。它的主要特征包括签名、验证、加密、压缩等。我们可以利用 JWT 来建立单点登录 (Single Sign-On) 的功能。

JWT 可以在请求头中传递，以 Bearer 开头，例如:

Authorization: Bearer <token>

前端应用可以存储 JWT 令牌，并且在每个请求头中添加该令牌，后端可以通过解析该令牌获取用户相关的信息。

基于 React + OAuth + JWT 的用户认证

本文通过对用户认证在 React 中的实践，一步步的讲解如何用 OAuth 和 JWT 在 React 中实现用户认证。 首先，我们先来看一下整体认证流程：

1. 用户在前端应用点击登录按钮。
2. 前端应用发送请求到后端，向 OAuth 服务请求用户的登录授权。
3. 用户同意后，OAuth 服务生成一个授权码并返回给前端应用。
4. 前端应用将授权码提交给后端，后端向 OAuth 服务请求令牌，并附带客户端 ID 和客户端密钥。
5. 如果授权码和客户端 ID / 密钥有效，OAuth 服务将生成访问令牌并返回给前端应用。
6. 前端应用将访问令牌存储起来，并在后续的 API 请求中携带，以完成认证过程。
7. 当用户下一次访问前端应用的时候，前段应用会自动检测本地是否有访问令牌，如果有则会将其添加到请求头中。
8. 后端收到请求之后，会校验访问令牌，确认用户身份。
9. 如果用户身份正确，后端就能继续处理请求。否则，返回错误响应。

从上面的流程图中，我们看到 OAuth 和 JWT 的配合可以帮助我们完成单点登录的功能。下面我们再来逐步讲解在 React 中如何实现用户认证。

2.核心概念与联系

OAuth

OAuth 是 Open Authorization 的缩写，是一个关于授权的标准。它描述了如何让第三方应用获得有限的访问权限，相当于提供了一个 API 来帮你实现用户认证。它最初是 Facebook 为其应用程序开放 API 的时候提出的，但由于商业原因和版权问题，近年来开始逐渐流行。随着互联网的发展，越来越多的公司和组织开始选择使用 OAuth 来实现用户认证。

OAuth 授权类型

OAuth 定义了四种授权类型，分别为：

1. Implicit grant type（授权码模式）：这种授权类型通常用于客户端属于私密的场景，如移动 APP 。
2. Authorization code grant type（授权码模式）：这种授权类型通常用于客户端高度信任的场景，且可以获取用户详细信息。
3. Password credentials grant type（密码模式）：这种授权类型通常用于命令行工具、内部后台任务等。
4. Client credentials grant type（客户端模式）：这种授权类型通常用于服务器间的通信，如调用第三方 API 。

一般来说，前两种授权类型都要求用户手动授予授权，后两种授权类型不需要用户手动授权，只需向 OAuth 服务器提供 Client ID 和 Client Secret 即可。下面我们就来分析一下 Authorization Code Grant Type 。

Authorization Code Grant Type

Authorization Code Grant Type 是 OAuth 协议中的授权类型，这种授权类型通常用于第三方网站或应用的用户认证。用户访问第三方应用时，应用会先请求用户给予相应权限。当用户同意后，应用会重定向到指定的回调地址，并附带一个授权码。

授权码只能使用一次，且只能通过 HTTPS 连接。应用将得到授权码后，需要向 OAuth 服务器请求访问令牌。请求中需要提供以下参数：

• client_id: 客户端 id ，即第三方应用的标识符。
• redirect_uri: 授权成功后的回调地址。
• response_type: 固定为 "code"。
• scope: 申请的权限范围。
• state: 应用可以指定任意字符串作为认证状态码。

OAuth 服务器将根据客户端提供的授权码和其他参数生成访问令牌，并将访问令牌返回给应用。

访问令牌是应用通过 OAuth 访问受保护资源时的凭据，包含应用的用户信息、权限范围等。访问令牌一般包含三部分：Header、Payload、Signature。其中 Header 包含令牌的类型、Token 使用的 Hash 函数和签名算法；Payload 则包含关于用户的信息、权限范围、过期时间、其他一些信息；Signature 则是使用 HMAC - SHA256 或 RSA 算法计算得到的结果。

应用收到访问令牌后，可以缓存它，并在后续的 API 请求中将它放在请求头中，向 OAuth 服务器请求相应资源。访问令牌的有效期很短，通常是几分钟甚至几秒钟，过期时需要重新获取。

JWT

JSON Web Tokens (JWT) 是一种基于 JSON 格式的数据结构，可以用来表示令牌，用于身份验证或者信息交换。它的主要特征包括签名、验证、加密、压缩等。我们可以利用 JWT 来建立单点登录 (Single Sign-On) 的功能。

JWT 可以在请求头中传递，以 Bearer 开头，例如:

Authorization: Bearer <token>

前端应用可以存储 JWT 令牌，并且在每个请求头中添加该令牌，后端可以通过解析该令牌获取用户相关的信息。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

获取客户端 id 和秘钥

首先，我们需要创建自己的 OAuth 应用，并获取 client_id 和 client_secret。这个可以在 OAuth 服务提供商那里找到，也可以直接向开源平台如 Auth0 申请。Auth0 是全球领先的云原生身份管理提供商，提供了多种安全性、可扩展性和集成度，可满足各种身份和访问控制的需求。本文使用的 Auth0 平台没有强制要求你注册，直接登录即可。

配置 Auth0

Auth0 提供的配置界面让我们很容易地设置好 OAuth 应用。我们只需要按照提示填写一些必要的参数，就可以创建出一个完整的 OAuth 应用。

1. 创建一个新应用，输入名称和描述，选择单点登录选项。
2. 添加 Allowed Callback URLs，这里填写你希望用户登录成功后的跳转 URL 。
3. 添加 Allowed Logout URLs，这里填写用户登出后的跳转 URL 。
4. 设置 Auth0 作为 OAuth provider ，并保存。
5. 将 client_id 和 client_secret 复制出来，在前端应用中使用。

配置完毕后，我们就得到了 client_id 和 client_secret。

获取授权码

用户需要访问我们的应用时，需要首先请求用户登录，并同意授权。在 OAuth 协议中，用户需要经历两个阶段的交互：

1. 第一步：请求用户授权，即向用户展示出带有链接的页面，用户点击链接并登录后，浏览器会转跳回应用，并附带授权码。
2. 第二步：使用授权码获取访问令牌，即向 OAuth 服务请求访问令牌，并附带授权码和 client_id 和 client_secret 。

下面我们来模拟用户登录过程。假设用户想要访问应用，则需要先访问我们的 OAuth 应用授权接口。我们可以编写一个按钮，用户点击按钮后，程序会打开浏览器并请求用户登录，登录成功后，浏览器会跳转回应用并附带一个授权码。

const clientId = 'your_client_id';

function login() {
  const url = `https://${domain}/authorize?
    audience=${clientId}&
    response_type=code&
    scope=openid%20email%20profile& // 可选参数
    redirect_uri=${redirectUri}`;

  window.location = url;
}
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其中 domain 表示 OAuth 服务提供商的域名，redirectUri 表示用户登录成功后的跳转地址。注意，redirect_uri 需要和 OAuth 应用中设置的 Callback URLs 一致。

授权码获取成功后，我们就可以开始获取访问令牌。

使用授权码获取访问令牌

我们需要向 OAuth 服务提供商请求访问令牌。访问令牌会包含用户的身份信息，在 OAuth 授权的过程中，我们需要发送请求到授权服务器，并附带授权码、client_id 和 client_secret。

async function getAccessToken(authCode) {
  try {
    const response = await fetch(`https://${domain}/oauth/token`, {
      method: 'POST',
      headers: {
        'Content-Type': 'application/json'
      },
      body: JSON.stringify({
        client_id: clientId,
        client_secret: clientSecret,
        grant_type: 'authorization_code',
        code: authCode,
        redirect_uri: redirectUri
      })
    });

    if (!response.ok) {
      throw new Error('Could not retrieve access token');
    }

    return await response.json();
  } catch (error) {
    console.error(error);
  }
}
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其中 domain 表示 OAuth 服务提供商的域名，redirectUri 表示用户登录成功后的跳转地址。注意，redirect_uri 需要和 OAuth 应用中设置的 Callback URLs 一致。

请求成功后，服务端会返回访问令牌，包括 access_token、expires_in、refresh_token 等属性。

{
  "access_token": "<KEY>",
  "expires_in": 3600,
  "token_type": "Bearer",
  "scope": "openid profile email offline_access",
  "refresh_token": "eyJhbGciOiJSUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYmYiOjE2MTMzNjMwOTksImV4cCI6MTYxMzU0MDMxOSwiaWF0IjoxNjEzMzYzMDk5LCJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IlVzZXIiLCJhdWQiOiJyZXNldCJ9.TJVA95OrM7E2cBab30RMHrHDcEfxjoYZgeFONFh7HgQ",
  "id_token": "eyJhbGciOiJSUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCIsImtpZCI6Ik1uYmljbyJ9.eyJhY3IiOiIxIiwiYW1yIjpbInBsYWluLnJlYWQiXX0.YsNpZzb_qyJaDcn3L-hfw_tT0W2NtSOfQjOX1qnoLiJpSwcEZCVxRmGzfhEotyjVB7eamZEmowrKGUDIpYw9uxTtQ"
}
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此处省略了 refresh_token 和 id_token 属性，它们是 OAuth 协议中的可选属性，用于扩展 OAuth 功能。refresh_token 可以用来获取新的访问令牌，id_token 可以用来校验用户身份。

验证访问令牌

应用收到访问令牌后，需要检查其有效性。我们需要向 OAuth 服务提供商发送检查访问令牌的请求。

async function verifyAccessToken(accessToken) {
  try {
    const response = await fetch(`https://${domain}/userinfo`, {
      method: 'GET',
      headers: {
        'Authorization': `Bearer ${accessToken}`
      }
    });

    if (!response.ok) {
      throw new Error('Could not verify access token');
    }

    return await response.json();
  } catch (error) {
    console.error(error);
  }
}
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其中 domain 表示 OAuth 服务提供商的域名，请求成功后，服务端会返回关于用户的详细信息，如用户 ID、昵称、邮箱等。

如果访问令牌有效，我们就可以认为用户已登录成功。如果访问令牌已经失效，我们需要向 OAuth 服务提供商请求更新访问令牌。

更新访问令牌

如果访问令牌已经失效，则需要向 OAuth 服务提供商请求更新访问令牌。更新访问令牌的步骤如下：

1. 发送更新访问令牌的请求。
2. 服务端验证授权码和更新令牌。
3. 生成新访问令牌并返回给应用。

async function updateAccessToken(refreshToken) {
  try {
    const response = await fetch(`https://${domain}/oauth/token`, {
      method: 'POST',
      headers: {
        'Content-Type': 'application/json'
      },
      body: JSON.stringify({
        client_id: clientId,
        client_secret: clientSecret,
        grant_type:'refresh_token',
        refresh_token: refreshToken
      })
    });

    if (!response.ok) {
      throw new Error('Could not retrieve updated access token');
    }

    return await response.json();
  } catch (error) {
    console.error(error);
  }
}
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其中 domain 表示 OAuth 服务提供商的域名，refreshToken 就是之前获取到的 refresh_token。请求成功后，服务端会返回新的访问令牌。

至此，我们完成了用户登录和认证的流程。用户第一次登录的时候，我们需要请求用户授权，获得授权码，再向 OAuth 服务提供商请求访问令牌。用户访问下次需要访问我们的应用时，我们就不需要再去请求用户授权，而是直接使用已有的访问令牌，并校验其有效性。如果访问令牌已经失效，则需要更新访问令牌。

4.具体代码实例和详细解释说明

下面，我们以一个简单的 React 应用来演示如何实现基于 OAuth 的用户认证。本例仅演示基本功能，但足够说明问题。

安装依赖

首先，我们需要安装几个依赖包：react、react-dom、@auth0/auth0-spa-js。

npm install react react-dom @auth0/auth0-spa-js

引入 Auth0 SDK

然后，我们需要引用 Auth0 的 JavaScript SDK 文件，该文件是我们用来与 Auth0 服务交互的主要文件。

<script src="https://cdn.auth0.com/auth0-spa-js/1.14/auth0-spa-js.production.js"></script>

创建 Auth0 实例

接着，我们创建一个 Auth0 实例。

// authConfig.js
export default {
  domain: 'your_domain', // 替换为你的 Auth0 域名前缀
  client_id: 'your_client_id', // 替换为你的 Auth0 应用 ID
  redirect_uri: `${window.location.origin}/callback` // 回调页路径，通常应该和您在 Auth0 控制台中配置的保持一致
};

// index.js
import authConfig from './authConfig';

const auth0 = createAuth0Client({
 ...authConfig,
});
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redirect_uri 是应用登录成功后会重定向回您的应用的路径。通常应该设置为和您在 Auth0 控制台中配置的一致。

登录组件

用户需要登录才能访问我们的应用，因此我们需要提供登录功能。下面是一个登录组件的例子。

import React, { useState } from'react';

const Login = () => {
  const [isLoading, setIsLoading] = useState(false);

  const handleLogin = async event => {
    event.preventDefault();
    setIsLoading(true);
    await auth0.loginWithRedirect({});
    setIsLoading(false);
  };

  return isLoading? (
    <div className="loader">loading...</div>
  ) : (
    <button onClick={handleLogin}>Log in</button>
  );
};

export default Login;
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这里的 handleLogin 方法会触发登录操作。

注销组件

用户登录后，需要提供注销功能。下面是一个注销组件的例子。

import React, { useState } from'react';

const Logout = () => {
  const [isLoading, setIsLoading] = useState(false);

  const handleLogout = async event => {
    event.preventDefault();
    setIsLoading(true);
    await auth0.logout({
      returnTo: `${window.location.origin}`,
      client_id: process.env.REACT_APP_AUTH0_CLIENT_ID || '' // optional parameter to logout from all devices
    });
    setIsLoading(false);
  };

  return isLoading? (
    <div className="loader">loading...</div>
  ) : (
    <button onClick={handleLogout}>Log out</button>
  );
};

export default Logout;
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这里的 handleLogout 方法会触发注销操作。returnTo 参数可以设置为登出后返回的页面。

AuthProvider 组件

我们需要封装一个 AuthProvider 组件，它负责管理用户登录状态，包括登录和退出。下面是一个示例。

import React, { useEffect, useState } from'react';
import auth0 from '@auth0/auth0-spa-js';

const AuthProvider = ({ children }) => {
  const [isAuthenticated, setIsAuthenticated] = useState();
  const [isLoading, setIsLoading] = useState(true);
  const [error, setError] = useState();

  useEffect(() => {
    let isMounted = true;

    const initAuth = async () => {
      try {
        const authenticated = await auth0.isAuthenticated();

        if (authenticated && isMounted) {
          setIsAuthenticated(true);
        } else if (isMounted) {
          setIsAuthenticated(false);
        }
      } catch (e) {
        setError(e);
      }

      setIsLoading(false);
    };

    initAuth();

    return () => {
      isMounted = false;
    };
  }, []);

  const login = async () => {
    try {
      await auth0.loginWithRedirect({});
    } catch (e) {
      setError(e);
    }
  };

  const logout = () => {
    auth0.logout({
      returnTo: `${window.location.origin}`,
      client_id: process.env.REACT_APP_AUTH0_CLIENT_ID || '', // optional parameter to logout from all devices
    });
    setIsAuthenticated(false);
  };

  return!isLoading && error === undefined? (
    <AuthContext.Provider value={{ isAuthenticated, login, logout }}>
      {children}
    </AuthContext.Provider>
  ) : null;
};

export default AuthProvider;
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这里的 useEffect 会在组件渲染时执行，判断当前用户是否已登录，并初始化组件状态。setIsAuthenticated 会设为 true 或 false。

login 方法会触发登录操作，logout 方法会触发注销操作，并清空用户登录状态。

AuthContext 会存放用户登录状态，包括 isAuthenticated、login 和 logout 方法。

ProtectedRoute 组件

ProtectedRoute 组件是一个高阶组件，用于保护特定的路由。下面是一个示例。

import React from'react';
import { useLocation } from'react-router-dom';
import { useSelector } from'react-redux';
import { Redirect } from'react-router-dom';

const ProtectedRoute = ({ component: Component,...rest }) => {
  const location = useLocation();
  const user = useSelector(state => state.userReducer.user);

  const renderComponent = props => {
    if (!user?.sub) {
      return <Redirect to="/login" />;
    }

    return <Component {...props} />;
  };

  return (
    <Route {...rest} render={renderComponent} />
  );
};

export default ProtectedRoute;
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ProtectedRoute 接收 component 属性，它代表受保护的组件。useLocation hook 会获取当前路由位置， useSelector 会获取 Redux store 中的用户数据。

如果当前用户未登录，则渲染 Redirect 组件，重定向到登录页面。如果用户已登录，则渲染受保护的组件。

登录回调页面

登录成功后，Auth0 会重定向到登录回调页面，我们需要监听回调页面的跳转，并解析访问令牌。下面是一个示例。

import React, { useEffect } from'react';
import { useDispatch } from'react-redux';
import auth0 from '@auth0/auth0-spa-js';
import history from '../history';
import { setUser } from '../../store/actions/userActions';

const Callback = () => {
  const dispatch = useDispatch();

  useEffect(() => {
    const fn = async () => {
      const query = window.location.search;
      const urlParams = new URLSearchParams(query);
      const accessToken = urlParams.get('access_token');

      if (!accessToken) {
        return history.push('/');
      }

      try {
        const decodedToken = jwtDecode(accessToken);
        localStorage.setItem('access_token', accessToken);

        if (decodedToken['https://example.com/roles']!== 'admin') {
          alert('You do not have permission to access this page.');
          return history.push('/');
        }

        const userInfo = await auth0.getUserInfo();
        dispatch(setUser(userInfo));
        history.push('/home');
      } catch (e) {
        console.log(e);
        return history.push('/');
      }
    };

    fn();
  }, [dispatch]);

  return <div>Loading...</div>;
};

export default Callback;
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这里的 useEffect 会在组件渲染时执行，并解析查询字符串中的 access_token。如果 access_token 不存在，则渲染首页。如果 access_token 存在，则尝试解码 access_token，并存储在本地缓存中。如果 decodedToken 没有 admin 角色，则渲染首页。如果 decodedToken 有 admin 角色，则获取用户信息，并设置 Redux 的 userReducer 状态，最后重定向到主页。

5.未来发展趋势与挑战

虽然 OAuth 和 JWT 在用户认证领域扮演着举足轻重的角色，但基于 OAuth 和 JWT 的用户认证仍然是不够的。当前仍然有很多潜在的攻击面，比如 CSRF 漏洞、跨站请求伪造、Session 劫持等等。为了更加安全地保障用户数据的安全，我们需要进一步提升用户隐私和用户数据安全。

另外，基于 OAuth 和 JWT 的用户认证还不能完全解决物理单点登录的问题。当用户把设备分离出网络时，即使他们同属一个网络，他们也无法共享登录状态。这就需要我们考虑更加复杂的单点登录解决方案，比如双因子认证、多因子认证等。