JSON Web Token - 在Web应用间安全地传递信息

向右看齐 2021-06-11 15:11 266阅读 0赞

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。

让我们来假想一下一个场景。在A用户关注了B用户的时候，系统发邮件给B用户，并且附有一个链接“点此关注A用户”。链接的地址可以是这样的

上面的URL主要通过URL来描述这个当然这样做有一个弊端，那就是要求用户B用户是一定要先登录的。可不可以简化这个流程，让B用户不用登录就可以完成这个操作。JWT就允许我们做到这点。

![JSON Web Token][]

### JWT的组成 ###

一个JWT实际上就是一个字符串，它由三部分组成，**头部**、**载荷**与**签名**。

##### 载荷（Payload） #####

我们先将上面的添加好友的操作描述成一个JSON对象。其中添加了一些其他的信息，帮助今后收到这个JWT的服务器理解这个JWT。

<table style="width:748px; background:0px 0px; border-collapse:collapse; border-spacing:0px; display:block; overflow-y:hidden; overflow-x:auto"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="border-bottom:none; padding:0.3em 0.5em; border-top:none; border-right:1px solid rgb(217,217,217); border-left:none; margin:0px"> <pre style="border:none; padding:0px; margin-top:0px; margin-bottom:0px">
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      1
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      2
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      3
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      4
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      5
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      6
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      7
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      8
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      9
     
      
     </div></pre> </td> 
   <td style="border:none; padding:0.3em 0.3em 0.3em 1em; margin:0px"> <pre style="border:none; padding:0px; margin-top:0px; margin-bottom:0px">
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">
      
       
      {
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">    
      
       
      <span>"iss"</span>: 
      
       
      <span style="color:rgb(223,80,0)">"John Wu JWT"</span>,
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">    
      
       
      <span>"iat"</span>: 
      
       
      <span style="color:rgb(0,134,179)">1441593502</span>,
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">    
      
       
      <span>"exp"</span>: 
      
       
      <span style="color:rgb(0,134,179)">1441594722</span>,
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">    
      
       
      <span>"aud"</span>: 
      
       
      <span style="color:rgb(223,80,0)">"www.example.com"</span>,
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">    
      
       
      <span>"sub"</span>: 
      
       
      <span style="color:rgb(223,80,0)">"jrocket@example.com"</span>,
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">    
      
       
      <span>"from_user"</span>: 
      
       
      <span style="color:rgb(223,80,0)">"B"</span>,
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">    
      
       
      <span>"target_user"</span>: 
      
       
      <span style="color:rgb(223,80,0)">"A"</span>
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">
      
       
      }
     
      
     </div></pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

这里面的前五个字段都是由JWT的标准所定义的。

*  `iss`: 该JWT的签发者
 *  `sub`: 该JWT所面向的用户
 *  `aud`: 接收该JWT的一方
 *  `exp`(expires): 什么时候过期，这里是一个Unix时间戳
 *  `iat`(issued at): 在什么时候签发的

这些定义都可以在[标准][Link 1]中找到。

将上面的JSON对象进行\[base64编码\]可以得到下面的字符串。这个字符串我们将它称作JWT的**Payload**（载荷）。

如果你使用Node.js，可以用Node.js的包[base64url][]来得到这个字符串。

<table style="width:748px; background:0px 0px; border-collapse:collapse; border-spacing:0px; display:block; overflow-y:hidden; overflow-x:auto"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="border-bottom:none; padding:0.3em 0.5em; border-top:none; border-right:1px solid rgb(217,217,217); border-left:none; margin:0px"> <pre style="border:none; padding:0px; margin-top:0px; margin-bottom:0px">
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      1
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      2
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      3
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      4
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      5
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      6
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem; color:rgb(170,170,170)">
      
       
      7
     
      
     </div></pre> </td> 
   <td style="border:none; padding:0.3em 0.3em 0.3em 1em; margin:0px"> <pre style="border:none; padding:0px; margin-top:0px; margin-bottom:0px">
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">
      
       
      <span style="color:rgb(167,29,93)">var</span> base64url = 
      
       
      <span style="color:rgb(0,134,179)">require</span>(
      
       
      <span style="color:rgb(223,80,0)">'base64url'</span>)
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">
      
       
      <span style="color:rgb(167,29,93)">var</span> header = {
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">    
      
       
      <span style="color:rgb(223,80,0)">"from_user"</span>: 
      
       
      <span style="color:rgb(223,80,0)">"B"</span>,
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">    
      
       
      <span style="color:rgb(223,80,0)">"target_user"</span>: 
      
       
      <span style="color:rgb(223,80,0)">"A"</span>
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">
      
       
      }
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">
      
       
      <span style="color:rgb(0,134,179)">console</span>.log(base64url(
      
       
      <span style="color:rgb(0,134,179)">JSON</span>.stringify(header)))
     
      
     </div>
     
      
     <div style="height:1.2em; font-size:1.3rem">
      
       
      <span style="color:rgb(150,152,150)">// 输出：eyJpc3MiOiJKb2huIFd1IEpXVCIsImlhdCI6MTQ0MTU5MzUwMiwiZXhwIjoxNDQxNTk0NzIyLCJhdWQiOiJ3d3cuZXhhbXBsZS5jb20iLCJzdWIiOiJqcm9ja2V0QGV4YW1wbGUuY29tIiwiZnJvbV91c2VyIjoiQiIsInRhcmdldF91c2VyIjoiQSJ9</span>
     
      
     </div></pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

> 小知识：Base64是一种编码，也就是说，它是可以被翻译回原来的样子来的。它并不是一种加密过程。

##### 头部（Header） #####

JWT还需要一个头部，头部用于描述关于该JWT的最基本的信息，例如其类型以及签名所用的算法等。这也可以被表示成一个JSON对象。

在这里，我们说明了这是一个JWT，并且我们所用的签名算法（后面会提到）是HS256算法。

对它也要进行Base64编码，之后的字符串就成了JWT的**Header**（头部）。

##### 签名（签名） #####

将上面的两个编码后的字符串都用句号`.`连接在一起（头部在前），就形成了

> 这一部分的过程在[node-jws的源码][node-jws]中有体现

最后，我们将上面拼接完的字符串用HS256算法进行加密。在加密的时候，我们还需要提供一个密钥（secret）。如果我们用`mystar`作为密钥的话，那么就可以得到我们加密后的内容

这一部分又叫做**签名**。

![签名过程][sig1.png]

最后将这一部分签名也拼接在被签名的字符串后面，我们就得到了完整的JWT

于是，我们就可以将邮件中的URL改成

这样就可以安全地完成添加好友的操作了！

且慢，我们一定会有一些问题：

1.  签名的目的是什么？
2.  Base64是一种编码，是可逆的，那么我的信息不就被暴露了吗？

让我逐一为你说明。

### 签名的目的 ###

最后一步签名的过程，实际上是对头部以及载荷内容进行签名。一般而言，加密算法对于不同的输入产生的输出总是不一样的。对于两个不同的输入，产生同样的输出的概率极其地小（有可能比我成世界首富的概率还小）。所以，我们就把“不一样的输入产生不一样的输出”当做必然事件来看待吧。

所以，如果有人对头部以及载荷的内容解码之后进行修改，再进行编码的话，那么新的头部和载荷的签名和之前的签名就将是不一样的。而且，如果不知道服务器加密的时候用的密钥的话，得出来的签名也一定会是不一样的。

![签名过程][sig2.png]

服务器应用在接受到JWT后，会首先对头部和载荷的内容用同一算法再次签名。那么服务器应用是怎么知道我们用的是哪一种算法呢？别忘了，我们在JWT的头部中已经用`alg`字段指明了我们的加密算法了。

如果服务器应用对头部和载荷再次以同样方法签名之后发现，自己计算出来的签名和接受到的签名不一样，那么就说明这个Token的内容被别人动过的，我们应该拒绝这个Token，返回一个HTTP 401 Unauthorized响应。

### 信息会暴露？ ###

是的。

所以，在JWT中，不应该在载荷里面加入任何敏感的数据。在上面的例子中，我们传输的是用户的User ID。这个值实际上不是什么敏感内容，一般情况下被知道也是安全的。

但是像密码这样的内容就不能被放在JWT中了。如果将用户的密码放在了JWT中，那么怀有恶意的第三方通过Base64解码就能很快地知道你的密码了。

### JWT的适用场景 ###

我们可以看到，JWT适合用于向Web应用传递一些非敏感信息。例如在上面提到的完成加好友的操作，还有诸如下订单的操作等等。

其实JWT还经常用于设计用户认证和授权系统，甚至实现Web应用的单点登录。在下一次的文章中，我将为大家系统地总结JWT在用户认证和授权上的应用。如果想要及时地收到下一篇文章的更新，您可以在下方订阅我的半月刊：）

[Link 1]: https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-oauth-json-web-token-32
[JSON Web Token]: /images/20210527/4e5d10fcde854228a6dca7b988997aaa.png
[base64url]: https://github.com/brianloveswords/base64url
[node-jws]: https://github.com/brianloveswords/node-jws/blob/master/lib/sign-stream.js
[sig1.png]: /images/20210527/9d04eff7edb246db8d15735a5b36e0fa.png
[sig2.png]: /images/20210527/cf8829947f1f4641ba3b24c7614a3f77.png