JSON Web Token（JWT）原理和用法介绍

JSON Web Token（JWT）是目前最流行的跨域身份验证解决方案。

官网地址：https://jwt.io/

跨域身份验证

Internet服务无法与用户身份验证分开。一般过程如下。

1. 用户向服务器发送用户名和密码。
2. 验证服务器后，相关数据（如用户角色，登录时间等）将保存在当前会话中。
3. 服务器向用户返回session_id，session信息都会写入到用户的Cookie。
4. 用户的每个后续请求都将通过在Cookie中取出session_id传给服务器。
5. 服务器收到session_id并对比之前保存的数据，确认用户的身份。

这种模式最大的问题是，没有分布式架构，无法支持横向扩展。如果使用一个服务器，该模式完全没有问题。但是，如果它是服务器群集或面向服务的跨域体系结构的话，则需要一个统一的session数据库来保存会话数据实现共享，这样负载均衡下的每个服务器才可以正确的验证用户身份。

举一个实际中常见的单点登陆的需求：站点A和站点B提供同一公司的相关服务。现在要求用户只需要登录其中一个网站，然后它就会自动登录到另一个网站。怎么做？

一种解决方案是听过持久化session数据，写入数据库或文件持久层等。收到请求后，验证服务从持久层请求数据。该解决方案的优点在于架构清晰，而缺点是架构修改比较费劲，整个服务的验证逻辑层都需要重写，工作量相对较大。而且由于依赖于持久层的数据库或者缓存系统，会有单点风险，如果持久层失败，整个认证体系都会挂掉。

本文给大家介绍另外一种灵活的解决方案，通过客户端保存数据，而服务器根本不保存会话数据，每个请求都被发送回服务器。JWT是这种解决方案的代表。

JWT的原则

JWT的原则是在服务器身份验证之后，将生成一个JSON对象并将其发送回用户，如下所示。

{
  "UserName": "Joe.Ye",
  "Role": "Admin",
  "Expire": "2018-08-08 20:15:56"
}

之后，当用户与服务器通信时，客户在请求中发回JSON对象。服务器仅依赖于这个JSON对象来标识用户。为了防止用户篡改数据，服务器将在生成对象时添加签名。服务器不保存任何会话数据，即服务器变为无状态，使其更容易扩展。

JWT的数据结构

典型的，一个JWT看起来如下：

eyJ0eXBlIjoiSldUIiwiYWxnIjoiSFMyNTYiLCJ0eXAiOiJKV1QifQ.eyJzdWIiOiJBcHBCbG9nLkNOIiwibmFtZSI6IkpvZS5ZZSIsImlzcyI6InNzbyIsImV4cCI6MTU4Njg2NzE5MSwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.ewygJqt1Pj_79Mcz8ta7GktMl-MOvWpNvklnUcLy_lQ

该对象为一个很长的字符串，字符之间通过.分隔符分为三个子串。注意JWT对象为一个长字串，各子串之间也没有换行符，每一个子串表示了一个功能块，总共有以下三个部分：JWT头、有效载荷和签名。

JWT头

JWT头部分是一个描述JWT元数据的JSON对象，通常如下所示。

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

在上面的代码中，alg属性表示签名使用的算法，默认为HMAC SHA256（写为HS256）；typ属性表示令牌的类型，JWT令牌统一写为JWT。

最后，使用Base64 URL算法将上述JSON对象转换为字符串保存。

有效载荷

有效载荷部分，是JWT的主体内容部分，也是一个JSON对象，包含需要传递的数据。JWT指定七个默认字段供选择。

iss：发行人
exp：到期时间
sub：主题
aud：用户
nbf：在此之前不可用
iat：发布时间
jti：JWT ID用于标识该JWT

除以上默认字段外，我们还可以自定义私有字段，如下例：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "Joe.Ye",
  "admin": true
}

请注意，默认情况下JWT是未加密的，任何人都可以解读其内容，因此不要构建隐私信息字段，存放保密信息，以防止信息泄露。

JSON对象也使用Base64 URL算法转换为字符串保存。

签名哈希

签名哈希部分是对上面两部分数据签名，通过指定的算法生成哈希，以确保数据不会被篡改。

首先，需要指定一个密码（secret）。该密码仅仅为保存在服务器中，并且不能向用户公开。然后，使用标头中指定的签名算法（默认情况下为HMAC SHA256）根据以下公式生成签名。

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

在计算出签名哈希后，JWT头，有效载荷和签名哈希的三个部分组合成一个字符串，每个部分用.分隔，就构成整个JWT对象。

Base64URL算法

如前所述，JWT头和有效载荷序列化的算法都用到了Base64URL。该算法和常见Base64算法类似，稍有差别。

作为令牌的JWT可以放在URL中（例如api.example/?token=xxx）。 Base64中用的三个字符是+，/和=，由于在URL中有特殊含义，因此Base64URL中对他们做了替换：=去掉，+用-替换，/用_替换，这就是Base64URL算法，很简单把。

JWT的用法

客户端接收服务器返回的JWT，将其存储在Cookie或localStorage中。

此后，客户端将在与服务器交互中都会带JWT。如果将它存储在Cookie中，就可以自动发送，但是不会跨域，因此一般是将它放入HTTP请求的Header Authorization字段中。

Authorization: Bearer xxx

当跨域时，也可以将JWT被放置于POST请求的数据主体中。

JWT问题和趋势

1、JWT默认不加密，但可以加密。生成原始令牌后，可以使用改令牌再次对其进行加密
2、当JWT未加密方法时，一些私密数据无法通过JWT传输
3、JWT不仅可用于认证，还可用于信息交换。善用JWT有助于减少服务器请求数据库的次数
4、JWT的最大缺点是服务器不保存会话状态，所以在使用期间不可能取消令牌或更改令牌的权限。也就是说，一旦JWT签发，在有效期内将会一直有效
5、JWT本身包含认证信息，因此一旦信息泄露，任何人都可以获得令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT的有效期不宜设置太长。对于某些重要操作，用户在使用时应该每次都进行进行身份验证
6、为了减少盗用和窃取，JWT不建议使用HTTP协议来传输代码，而是使用加密的HTTPS协议进行传输