JSON WEB TOKEN 从原理到实战

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作者：王廷骏原文：https://juejin.cn/post/6844903847417085966

1. JSON WEB TOKEN

1.1 什么是JWT

JSON Web Token（JWT）是一个非常轻巧的规范。

这个规范允许我们使用JWT在用户和服务器之间传递安全可靠的信息。简称JWT，在HTTP通信过程中，进行身份认证。

我们知道HTTP通信是无状态的，因此客户端的请求到了服务端处理完之后是无法返回给原来的客户端。

因此需要对访问的客户端进行识别，常用的做法是通过session机制：

客户端在服务端登陆成功之后，服务端会生成一个sessionID，返回给客户端，客户端将sessionID保存到cookie中，再次发起请求的时候，携带cookie中的sessionID到服务端，服务端会缓存该session（会话），当客户端请求到来的时候，服务端就知道是哪个用户的请求，并将处理的结果返回给客户端，完成通信。

通过上面的分析，可以知道session存在以下问题：

1、session保存在服务端，当客户访问量增加时，服务端就需要存储大量的session会话，对服务器有很大的考验；

2、当服务端为集群时，用户登陆其中一台服务器，会将session保存到该服务器的内存中，但是当用户的访问到其他服务器时，会无法访问，通常采用缓存一致性技术来保证可以共享，或者采用第三方缓存来保存session，不方便。

1.2 Json Web Token是怎么做的？

客户端通过用户名和密码登录服务器；
服务端对客户端身份进行验证；
服务端对该用户生成Token，返回给客户端；
客户端发起请求，需要携带该Token；
服务端收到请求后，首先验证Token，之后返回数据。
客户端将Token保存到本地浏览器，一般保存到cookie中。

服务端不需要保存Token，只需要对Token中携带的信息进行验证即可；
无论客户端访问后台的那台服务器，只要可以通过用户信息的验证即可。

1.3 JWT 的原理

JWT 的原理是，服务器认证以后，生成一个 JSON 对象，发回给用户，就像下面这样。

{ "姓名": "张三", "角色": "管理员", "到期时间": "2018年10月31日0点0分"}

以后，用户与服务端通信的时候，都要发回这个 JSON 对象。服务器完全只靠这个对象认定用户身份。为了防止用户篡改数据，服务器在生成这个对象的时候，会加上签名（详见后文）。

服务器就不保存任何 session 数据了，也就是说，服务器变成无状态了，从而比较容易实现扩展。

1.4 JWT 的数据结构

实际的 JWT 大概就像下面这样。

它是一个很长的字符串，中间用点（.）分隔成三个部分。注意，JWT 内部是没有换行的，这里只是为了便于展示，将它写成了几行。

JWT 的三个部分依次如下。

Header（头部）
Payload（负载）
Signature（签名）

写成一行，就是下面的样子。

1.4.1 Header

Header 部分是一个 JSON 对象，描述 JWT 的元数据，通常是下面的样子。

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

上面代码中，alg属性表示签名的算法（algorithm），默认是 HMAC SHA256（写成 HS256）；typ属性表示这个令牌（token）的类型（type），JWT 令牌固定写为JWT。

最后，将上面的 JSON 对象使用 Base64URL 算法（详见后文）转成字符串。

1.4.2 Payload

Payload 部分也是一个 JSON 对象，用来存放实际需要传递的数据。JWT 规定了7个官方字段，供选用。

iss (issuer)：签发人
exp (expiration time)：过期时间
sub (subject)：主题
aud (audience)：受众
nbf (Not Before)：生效时间
iat (Issued At)：签发时间
jti (JWT ID)：编号

除了官方字段，你还可以在这个部分定义私有字段，下面就是一个例子。

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

注意，JWT 默认是不加密的，任何人都可以读到，所以不要把秘密信息放在这个部分。

这个 JSON 对象也要使用 Base64URL 算法转成字符串。

1.4.3 Signature

Signature 部分是对前两部分的签名，防止数据篡改。

首先，需要指定一个密钥（secret）。这个密钥只有服务器才知道，不能泄露给用户。然后，使用 Header 里面指定的签名算法（默认是 HMAC SHA256），按照下面的公式产生签名。

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

算出签名以后，把 Header、Payload、Signature 三个部分拼成一个字符串，每个部分之间用"点"（.）分隔，就可以返回给用户。

1.4.4 Base64URL

前面提到，Header 和 Payload 串型化的算法是 Base64URL。这个算法跟 Base64 算法基本类似，但有一些小的不同。

JWT 作为一个令牌（token），有些场合可能会放到 URL（比如 api.example.com/?token=xxx）。

Base64 有三个字符+、/和=，在 URL 里面有特殊含义，所以要被替换掉：=被省略、+替换成-，/替换成_。这就是 Base64URL 算法。

1.5 JWT 的使用方式

客户端收到服务器返回的 JWT，可以储存在 Cookie 里面，也可以储存在 localStorage。

此后，客户端每次与服务器通信，都要带上这个 JWT。你可以把它放在 Cookie 里面自动发送，但是这样不能跨域，所以更好的做法是放在 HTTP 请求的头信息Authorization字段里面。

Authorization: Bearer <token>

另一种做法是，跨域的时候，JWT 就放在 POST 请求的数据体里面。

1.6 JWT 的几个特点

JWT 默认是不加密，但也是可以加密的。生成原始 Token 以后，可以用密钥再加密一次。

JWT 不加密的情况下，不能将秘密数据写入 JWT。
JWT 不仅可以用于认证，也可以用于交换信息。有效使用 JWT，可以降低服务器查询数据库的次数。
JWT 的最大缺点是，由于服务器不保存 session 状态，因此无法在使用过程中废止某个 token，或者更改 token 的权限。也就是说，一旦 JWT 签发了，在到期之前就会始终有效，除非服务器部署额外的逻辑。
JWT 本身包含了认证信息，一旦泄露，任何人都可以获得该令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT 的有效期应该设置得比较短。对于一些比较重要的权限，使用时应该再次对用户进行认证。
为了减少盗用，JWT 不应该使用 HTTP 协议明码传输，要使用 HTTPS 协议传输。

2.手撕一个Demo

创建一个maven项目，加入pom依赖：

<!--JWT--><dependencies><!--JWT-->    <dependency>        <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>        <artifactId>jjwt</artifactId>        <version>0.9.0</version>    </dependency>    <dependency>        <groupId>junit</groupId>        <artifactId>junit</artifactId>        <version>RELEASE</version>        <scope>compile</scope>    </dependency></dependencies><build>    <plugins>        <plugin>            <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>            <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>            <version>3.5</version>            <configuration>                <source>1.8</source>                <target>1.8</target>            </configuration>        </plugin>    </plugins></build>

创建类JWTDemo：

public class JWTDemo {    //加密的    private static final String SECRET_KEY = "123456789";    @Test    public void jwtTest() throws InterruptedException {        // 设置3秒后过期        SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");        long time = System.currentTimeMillis() + 30*60*1000;        String jwt = this.buildJwt(new Date(time));        System.out.println("jwt = " + jwt);        // 验证token是否可用        boolean isOk = this.isJwtValid(jwt);        System.out.println(isOk);    }    public String buildJwt(Date exp) {        String jwt = Jwts.builder()                .signWith(SignatureAlgorithm.HS256, SECRET_KEY)    //SECRET_KEY是加密算法对应的密钥，这里使用额是HS256加密算法                .setExpiration(exp)     //expTime是过期时间                .claim("name","wangtingjun")                .claim("age","18")                .claim("key", "vaule")      //该方法是在JWT中加入值为vaule的key字段                .compact();        return jwt;    }    public boolean isJwtValid(String jwt) {        try {            //解析JWT字符串中的数据，并进行最基础的验证            Claims claims = Jwts.parser()                    .setSigningKey(SECRET_KEY)  //SECRET_KEY是加密算法对应的密钥，jjwt可以自动判断机密算法                    .parseClaimsJws(jwt)    //jwt是JWT字符串                    .getBody();            System.out.println(claims);            String vaule = claims.get("key", String.class);     //获取自定义字段key            //判断自定义字段是否正确            if ("vaule".equals(vaule)) {                return true;            } else {                return false;            }        }        //在解析JWT字符串时，如果密钥不正确，将会解析失败，抛出SignatureException异常，说明该JWT字符串是伪造的        //在解析JWT字符串时，如果‘过期时间字段’已经早于当前时间，将会抛出ExpiredJwtException异常，说明本次请求已经失效        catch (SignatureException | ExpiredJwtException e) {            return false;        }    }}

最后可以在控制台看到打印出来的信息

jwt = eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJleHAiOjE1NDA5NzgxMzAsIm5hbWUiOiJ3YW5ndGluZ2p1biIsImFnZSI6IjE4Iiwia2V5IjoidmF1bGUifQ.XEDlK0UNTV3aKANQe9QCE2Y7JiP7D7ebrDVOs2JxRCQ{exp=1540978130, name=wangtingjun, age=18, key=vaule}true

我们还可以使用jwt的解析工具进行解析看一下，jwt解析（https://jwt.io/）