JWT——概念、认证流程、结构、使用JWT

我会带着你远行 2022-11-26 13:59 264阅读 0赞

# 一、什么是JWT #

JSON Web Token (JWT) is an open standard ([RFC 7519][]) that defines a compact and self-contained way for securely transmitting information between parties as a JSON object. This information can be verified and trusted because it is digitally signed. JWTs can be signed using a secret (with the **HMAC** algorithm) or a public/private key pair using **RSA** or **ECDSA**.

*  官网地址: https://jwt.io/introduction/
 *  翻译: jsonwebtoken（JWT）是一个开放标准（rfc7519），它定义了一种紧凑的、自包含的方式，用于在各方之间以JSON对象安全地传输信息。此信息可以验证和信任，因为它是数字签名的。jwt可以使用秘密（使用HMAC算法）或使用RSA或ECDSA的公钥/私钥对进行签名

JWT简称`JSON Web Token`,也就是通过JSON形式作为Web应用中的令牌,用于在各方之间安全地将信息作为`JSON对象`传输。在数据传输过程中还可以完成`数据加密`、`签名`等相关处理。

# 二、JWT能做什么? #

##### 1、`授权` #####

*  这是使用JWT的最常见方案。一旦用户登录，每个后续请求将包括JWT，从而允许用户访问该令牌允许的路由，服务和资源。单点登录是当今广泛使用JWT的一项功能，因为它的开销很小并且可以在不同的域中轻松使用。

##### 2、信息交换 #####

*  JSON Web Token是在各方之间安全地传输信息的好方法。因为可以对JWT进行签名（例如，使用公钥/私钥对），所以您可以确保发件人是他们所说的人。此外，由于签名是使用标头和有效负载计算的，因此您还可以验证内容是否遭到篡改。

# 三、为什么不用Session? 而选择JWT #

### 1、基于传统的Session认证 ###

##### 认证方式 #####

*  我们知道，http协议本身是一种`无状态`的协议，而这就意味着如果用户向我们的应用提供了用户名和密码来进行用户认证，那么下一次请求时，用户还要再一次进行用户认证才行，因为根据http协议，我们并不能知道是哪个用户发出的请求，所以为了让我们的应用能识别是哪个用户发出的请求，我们只能在服务器`存储一份用户登录的信息`，这份登录信息会在响应时传递给浏览器，告诉其保存为`cookie`,以便下次请求时发送给我们的应用，这样我们的应用就能识别请求来自哪个用户了,这就是传统的基于`session`认证。

##### 认证流程 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3OTg5OTgw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

##### 暴露的问题 #####

*  1.每个用户经过我们的应用认证之后，我们的应用都要在服务端做一次记录，以方便用户下次请求的鉴别，通常而言session都是保存在内存中，而随着认证用户的增多，`服务端的开销会明显增大`
 *  2.用户认证之后，服务端做认证记录，如果认证的记录被保存在内存中的话，这意`味着用户下次请求还必须要请求在这台服务器上,这样才能拿到授权的资源，这样在分布式的应用上，相应的限制了负载均衡器的能力`。这也意味着限制了应用的扩展能力。
 *  3.因为是基于cookie来进行用户识别的, cookie如果被截获，用户就会`很容易受到跨站请求伪造的攻击`。
 *  4.在前后端分离系统中就更加痛苦:如下图所示  
    也就是说前后端分离在应用解耦后增加了部署的复杂性。通常用户一次请求就要转发多次。如果用session 每次携带sessionid 到服务器，服务器还要查询用户信息。同时如果用户很多。这些信息存储在服务器内存中，给服务器增加负担。还有就是CSRF（跨站伪造请求攻 击）攻击，session是基于cookie进行用户识别的, cookie如果被截获，用户就会很容易受到跨站请求伪造的攻击。还有就是sessionid就是一个特征值，表达的信息不够丰富。不容易扩展。而且如果你后端应用是多节点部署。那么就需要实现`session共享机制`。 不方便集群应用。  
    ![在这里插入图片描述][20200812131731564.png_pic_center]

### 2、JWT认证 ###

##### 认证方式 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3OTg5OTgw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

*  首先，前端通过Web表单将自己的用户名和密码发送到后端的接口。这一过程一般是一个HTTP POST请求。建议的方式是通过SSL加密的传输（https协议），从而避免敏感信息被嗅探。
 *  后端核对用户名和密码成功后，将用户的id等其他信息作为JWT Payload（负载），将其与头部分别进行`Base64`编码拼接后签名，形成一个JWT(Token)。形成的JWT就是一个形同lll.zzz.xxx的字符串。 token `head.payload.singurater`
 *  后端将JWT字符串作为登录成功的返回结果返回给前端。前端可以将返回的结果保存在`localStorage`或`sessionStorage`上，退出登录时前端删除保存的JWT即可。
 *  前端在每次请求时将JWT放入`HTTP Header`中的Authorization位。(解决XSS和XSRF问题) HEADER
 *  后端检查是否存在，如存在验证JWT的有效性。例如，检查签名是否正确；检查Token是否过期；检查Token的接收方是否是自己（可选）。
 *  验证通过后后端使用`JWT中包含的用户信息`进行其他逻辑操作，返回相应结果。

##### jwt的优势 #####

*  简洁(Compact): 可以通过URL，POST参数或者在HTTP header发送，因为数据量小，传输速度也很快
 *  自包含(Self-contained)：负载中`包含了所有用户所需要的信息`，避免了多次查询数据库
 *  因为Token是以JSON加密的形式保存在`客户端`的，所以JWT是跨语言的，原则上任何web形式都支持。
 *  不需要在服务端保存会话信息，特别适用于分布式微服务。

# 四、JWT的结构 #

`JWT令牌` = `Header.Payload.Signature`

JWT令牌组成 :

*  1.标头(Header)
 *  2.有效载荷(Payload)
 *  3.签名(Signature)
 *  因此，JWT通常如下所示:xxxxx.yyyyy.zzzzz Header.Payload.Signature

##### 1、Header #####

*  标头通常由两部分组成：令牌的类型（即JWT）和所使用的签名算法，例如HMAC SHA256或RSA。它会使用 `Base64`编码`组成 JWT 结构的`第一部分\`。
 *  注意: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。

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

##### 2、Payload #####

*  令牌的第二部分是有效负载，其中包含声明。声明是有关实体（通常是用户）和其他数据的声明(`存放用户信息的`)。同样的，它会使用 `Base64 编码`组成 JWT 结构的`第二部分`

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

##### 3、Signature #####

*  前面两部分都是使用 Base64 进行编码的，即前端可以解开知道里面的信息。Signature 需要使用`编码后的 header 和 payload` 以及我们提供的一个`密钥`，然后使用 header 中指定的签名算法（`HS256`）进行签名。签名的作用是`保证 JWT 没有被篡改过`

`base64(header) . base64(payload) . "#**$s@8ss"(秘钥)` \-----> 组成 `Signature`  
同下  
`HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload),secret);` \-----> 组成 `Signature`

--------------------

JWT令牌 = base64(header) . base64(payload) . `Signature`

`eg :`

*  假如我们的JWT令牌返回给客户端了, 结构为`base64(header).base64(payload).aaaaa`, `aaaaa`是签名, 由`base64(header) . base64(payload) . 密钥`生成的, 客户端此时拿到了这个Token;
 *  jwt会先`验签`, 客户端拿到token去请求数据, 首先服务端会先将该token的`Signature`和`aaaaa`作比对, 如果确实相同, 则该令牌是正确的;
 *  这种做法就是为了防止篡改数据, 如果修改了header, payload, 生成的Signature都和服务端的对不上, 就会验证该令牌是非法的;

###### 签名目的 ######

*  最后一步签名的过程，实际上是对头部以及负载内容进行签名，`防止内容被窜改`。如果有人对头部以及负载的内容解码之后进行修改，再进行编码，最后加上之前的签名组合形成新的JWT的话，那么服务器端会判断出新的头部和负载形成的签名和JWT附带上的签名是不一样的。如果要对新的头部和负载进行签名，在不知道服务器加密时用的密钥的话，得出来的签名也是不一样的。

###### 信息安全问题 ######

*  在这里大家一定会问一个问题：Base64是一种编码，是可逆的，那么我的信息不就被暴露了吗？
 *  是的。所以，在JWT中，`不应该在负载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。因此JWT适合用于向Web应用传递一些非敏感信息。`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。`

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3OTg5OTgw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

*  输出是三个由点分隔的Base64-URL字符串，可以在HTML和HTTP环境中轻松传递这些字符串，与基于XML的标准（例如SAML）相比，它更紧凑。
 *  简洁(Compact)  
    可以通过URL, POST 参数或者在 HTTP header 发送，因为数据量小，传输速度快
 *  自包含(Self-contained)  
    负载中包含了`所有用户所需要的信息，避免了多次查询数据库`

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3OTg5OTgw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

# 五、使用JWT #

###### 引入依赖 ######

<dependency>
      <groupId>com.auth0</groupId>
      <artifactId>java-jwt</artifactId>
      <version>3.4.0</version>
    </dependency>

###### 生成token ######

@Test
    public void createToken() { 
        Calendar instance = Calendar.getInstance();
        instance.add(Calendar.SECOND, 900);
    
        Map<String, Object> map = new HashMap<>();
        // 生成令牌
        String token = JWT.create()
                .withHeader(map) // 设置Header 可以不写
                .withClaim("userId", 21) // 设置payload
                .withClaim("username", "张三") // 自定义用户名
                .withExpiresAt(instance.getTime()) // 过期时间
                .sign(Algorithm.HMAC256("!##$d34jd*)#"));// 设置签名
    
        System.out.println(token);
    }

###### 根据令牌和签名解析数据 ######

@Test
    public void checkToken() { 
        // 创建验证Token的对象
        JWTVerifier jwtVerifier = JWT.require(Algorithm.HMAC256("!##$d34jd*)#")).build();
        DecodedJWT verify = jwtVerifier.verify("eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJleHAiOjE1OTcyMTMwMTMsInVzZXJJZCI6MjEsInVzZXJuYW1lIjoi5byg5LiJIn0.dO3T3wWYGxNXKH_aNLL3xvPgggweTCGSS-E0hxwLmwQ");
        System.out.println("用户Id: " + verify.getClaim("userId").asInt());
        System.out.println("用户名: " + verify.getClaim("username").asString());
    }

`签名要相同`

###### 常见异常信息 ######

*  SignatureVerificationException: 签名不一致异常
 *  TokenExpiredException: 令牌过期异常
 *  AlgorithmMismatchException: 算法不匹配异常
 *  InvalidClaimException: 失效的payload异常

# 六、封装JWT工具类 #

import com.auth0.jwt.JWT;
    import com.auth0.jwt.JWTCreator;
    import com.auth0.jwt.algorithms.Algorithm;
    import com.auth0.jwt.interfaces.DecodedJWT;
    
    import java.util.Calendar;
    import java.util.Map;
    
    public class JWTUtils { 
    
    
        private static final String SING = "!Q@W3e4r%T^Y";
    
        /** * 生成token header.payload.sing */
        public static String getToken(Map<String, String> map) { 
    
            Calendar instance = Calendar.getInstance();
            instance.add(Calendar.DATE, 7);//默认7天过期
    
            //创建jwt builder
            JWTCreator.Builder builder = JWT.create();
    
            //payload
            map.forEach((k, v) -> { 
                builder.withClaim(k, v);
            });
    
            String token = builder.withExpiresAt(instance.getTime())//指定令牌过期时间
                    .sign(Algorithm.HMAC256(SING));//sign
            return token;
        }
    
        /** * 验证token 合法性 */
        public static DecodedJWT verify(String token) { 
            return JWT.require(Algorithm.HMAC256(SING)).build().verify(token);
        }
    
    // /**
    // * 获取token信息方法
    // */
    // public static DecodedJWT getTokenInfo(String token){ 
    // DecodedJWT verify = JWT.require(Algorithm.HMAC256(SING)).build().verify(token);
    // return verify;
    // }
    }

[RFC 7519]: https://tools.ietf.org/html/rfc7519
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3OTg5OTgw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221124/83658053d5d24bceb4654f0f433ea9b2.png
[20200812131731564.png_pic_center]: /images/20221124/cc2197b7a5fe466599ac73d44b3c736b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3OTg5OTgw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221124/17fbfdb4d0504a23962c4ca0a3a74543.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3OTg5OTgw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20221124/29924896794f4a98b1bfce174302ed08.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3OTg5OTgw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: /images/20221124/0886940f04324e06b0dfc44056b6b0d8.png