【AI图像生成网站Golang】JWT认证与令牌桶算法

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三、JWT认证与令牌桶算法

在现代后端开发中，用户认证和接口限流是确保系统安全性和性能的两大关键要素。本文将基于实际代码，介绍 JWT 认证和令牌桶限流算法的原理和实现。

1. JWT认证

JWT（JSON Web Token）是一种开放标准（RFC 7519），定义了一种紧凑的、自包含的方式，用于在各方之间安全地传输信息。这些信息经过签名验证后，可以信任其真实性。它通常用于用户认证场景，流程如下：

用户登录成功后，服务器生成一个JWT并返回给客户端。
客户端每次访问受保护的接口时，将JWT放入请求头中。
服务器解析JWT验证用户身份。

一个典型的JWT由三部分组成：

Header：描述加密算法类型（如 HS256）。
Payload（有效载荷）：实际数据，例如用户信息和 Token 过期时间。
Signature：通过密钥和 Header、Payload 签名生成，用于验证数据的完整性。

JWT 的标准声明只包含一些通用字段（如 exp、iat¹），但在实际应用中，我们需要存储更多的业务数据，比如用户 ID 和用户名。
在 JWT 中，Payload 就是 Token 的核心数据部分，用来存储那些需要在两方之间传递的信息。它包含了自定义的声明（Claims），例如用户的标识（user_id）或过期时间（exp）。Payload 不会被加密，但会被签名以保证数据的完整性。我们可以自定义结构体 MyClaims来实现自定义声明：

type MyClaims struct {UserID   uint64 `json:"user_id"`Username string `json:"username"`jwt.StandardClaims
}

之后，我们需要生成Access Token和Refresh Token来减少用户的重复登录行为，从而在保证安全性的同时提高交互体验，具体交互过程为：

在这里插入图片描述

用户登录阶段

用户在登录页面输入用户名和密码。
服务器验证用户的身份后，生成并返回：
- 一个短期有效的 Access Token。
- 一个长期有效的 Refresh Token。
客户端存储 Token（通常 Access Token 存在内存中，Refresh Token 存在安全存储区）。

生成 Access Token 和 Refresh Token 的函数如下：

// 定义Secret 用于加密的字符串
var mySecret = []byte("aidraw")func GenToken(userID uint64, username string) (aToken, rToken string, err error) {c := MyClaims{UserID:   userID,Username: username,StandardClaims: jwt.StandardClaims{ExpiresAt: time.Now().Add(AccessTokenExpireDuration).Unix(),Issuer:    "aidraw",},}aToken, err = jwt.NewWithClaims(jwt.SigningMethodHS256, c).SignedString(mySecret)rToken, err = jwt.NewWithClaims(jwt.SigningMethodHS256, jwt.StandardClaims{ExpiresAt: time.Now().Add(RefreshTokenExpireDuration).Unix(),Issuer:    "aidraw",}).SignedString(mySecret)return
}

与网站交互阶段

初始请求：客户端将 Access Token 添加到每个请求的 HTTP 头部（Authorization: Bearer <Access Token>）。服务器解析 Token 并验证用户身份。

解析Token的代码为：

func keyFunc(_ *jwt.Token) (i interface{}, err error) {return mySecret, nil
}// ParseToken 解析Token.
func ParseToken(tokenString string) (claims *MyClaims, err error) {claims = new(MyClaims)token, err := jwt.ParseWithClaims(tokenString, claims, keyFunc)if err != nil {return}if !token.Valid {err = errors.New("invalid token")}return
}

Access Token 过期：当 Access Token 失效时，客户端会用 Refresh Token 请求新的 Access Token。

刷新Token的代码为：

func RefreshToken(aToken, rToken string) (newAToken, newRToken string, err error) {// 验证 Refresh Token 是否有效if _, err = jwt.Parse(rToken, keyFunc); err != nil {return}// 解析 Access Token 提取用户信息var claims MyClaims_, err = jwt.ParseWithClaims(aToken, &claims, keyFunc)v, _ := err.(*jwt.ValidationError)// 如果 Access Token 是过期错误，生成新的 Tokenif v.Errors == jwt.ValidationErrorExpired {return GenToken(claims.UserID, claims.Username)}return
}

刷新 Token 过程：
1. 客户端发送 Refresh Token 给 /refresh_token API。
2. 服务器验证 Refresh Token 是否有效。
3. 如果 Refresh Token 合法且未过期，生成新的 Access Token 和新的 Refresh Token。

2. 基于 JWT 的认证中间件

为了在路由处理函数中提取用户信息，我们需要实现一个基于 JWT 的 Gin 中间件:

从请求头的 Authorization 字段提取 Token。
验证 Token 的合法性。
将解析出的用户信息保存到上下文中，供后续的路由函数使用。
代码如下：

package middlewaresimport ("backend/controller""backend/pkg/jwt""fmt""strings""github.com/gin-gonic/gin"
)// JWTAuthMiddleware 基于JWT的认证中间件
func JWTAuthMiddleware() func(c *gin.Context) {return func(c *gin.Context) {// 客户端携带Token有三种方式 1.放在请求头 2.放在请求体 3.放在URI// 这里假设Token放在Header的Authorization中，并使用Bearer开头// 这里的具体实现方式要依据你的实际业务情况决定authHeader := c.Request.Header.Get("Authorization")if authHeader == "" {controller.ResponseErrorWithMsg(c, controller.CodeInvalidToken, "请求头缺少Auth Token")c.Abort()return}// 按空格分割parts := strings.SplitN(authHeader, " ", 2)if !(len(parts) == 2) {controller.ResponseErrorWithMsg(c, controller.CodeInvalidToken, "Token格式不对")c.Abort()return}// parts[1]是获取到的tokenString，我们使用之前定义好的解析JWT的函数来解析它mc, err := jwt.ParseToken(parts[1])if err != nil {fmt.Println(err)controller.ResponseError(c, controller.CodeInvalidToken)c.Abort()return}// 将当前请求的userID信息保存到请求的上下文c上c.Set(controller.ContextUserIDKey, mc.UserID)c.Next() // 后续的处理函数可以用过c.Get(ContextUserIDKey)来获取当前请求的用户信息}
}

3. 令牌桶限流算法

在现代 Web 开发中，流量控制是确保系统稳定性的重要手段之一。令牌桶算法（Token Bucket Algorithm）是一种广泛使用的限流算法，可以高效处理突发流量。其核心思想如下：

固定速率发放令牌：按照指定的时间间隔，将令牌加入桶中。
允许突发流量：桶有一个固定的容量，当令牌数量达到容量时，新的令牌会被丢弃。
请求消耗令牌：每次请求需要消耗一定数量的令牌，如果桶中没有足够的令牌，请求将被拒绝或等待。

适用于需要控制 API 的访问频率、允许短时间内的突发请求（如秒杀活动）的场景。

令牌桶中间件实现

实现令牌桶限流中间件代码如下：

package middlewaresimport ("github.com/gin-gonic/gin""github.com/juju/ratelimit""net/http""time"
)// RateLimitMiddleware 创建指定填充速率和容量大小的令牌桶
func RateLimitMiddleware(fillInterval time.Duration, cap int64) func(c *gin.Context) {// 创建令牌桶bucket := ratelimit.NewBucket(fillInterval, cap)return func(c *gin.Context) {// 检查是否能够获取令牌if bucket.TakeAvailable(1) == 0 {// 如果令牌不足，返回限流提示c.String(http.StatusOK, "rate limit...")c.Abort() // 中断请求return}// 如果获取到令牌，继续处理请求c.Next()}
}

参数说明：

fillInterval：令牌添加的时间间隔。
cap：桶的容量。

调用代码

本项目通过在所有路由之前设置令牌桶中间件实现了全局限流：

//初始化 gin Engine  新建一个没有任何默认中间件的路由
r := gin.New()
//设置中间件
r.Use(middlewares.RateLimitMiddleware(2*time.Second, 40), // 每两秒钟添加十个令牌  全局限流
)r.LoadHTMLFiles("templates/index.html") // 加载html

exp 和 iat 是 JWT 中的标准声明字段（Standard Claims）。这些字段遵循 RFC 7519 的规范，表示 Token 的时间相关信息。
exp（Expiration Time）：表示 Token 的过期时间。单位为秒，自 Unix 时间纪元（1970-01-01 00:00:00 UTC）以来的秒数。当客户端请求到达服务器时，如果当前时间大于 exp，Token 会被判定为无效。例如1699844000 表示过期时间是 2023-11-12 10:00:00 UTC。
iat（Issued At）：表示 Token 签发的时间。单位同样为秒，用于标识 Token 的创建时间。它可以用来防止 Token 重放攻击（Replay Attack）。 ↩︎

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