JWT入门介绍

JSON Web Token(JWT)是一个开放标准(RFC 7519),它定义了一种紧凑(compact)自包含(self-contained)的方式,用于在各方之间安全地将信息作为JSON对象传输。由于此信息是经过数字签名的,因此可以被验证和信任。可以使用秘密(使用HMAC算法)或使用RSA的公钥/私钥对对JWT进行签名。

尽管可以对JWT进行加密以在各方之间提供保密性,但我们将重点关注已签名的令牌。签名的令牌可以验证其中包含的声明的完整性,而加密的令牌则隐藏其他方的声明。当使用公钥/私钥对对令牌进行签名时,签名还证明只有持有私钥的一方才是对其进行签名的一方。

通俗的讲,JWT是一种安全标准。基本思路就是用户提供用户名和密码给认证服务器,服务器验证用户提交信息的合法性;如果验证成功,会产生并返回一个Token(令牌),用户可以使用这个Token访问服务器上受保护的资源。

传统的session认证

在互联网服务中,授权认证一般流程如下:

  1. 用户向服务器发送用户名和密码。
  2. 服务器验证通过后,在当前对话(session)里面保存相关数据,比如用户角色、登录时间等等。
  3. 服务器向用户返回一个 session_id,写入用户的 Cookie。
  4. 用户随后的每一次请求,都会通过 Cookie,将 session_id 传回服务器。
  5. 服务器收到 session_id,找到前期保存的数据,由此得知用户的身份。

以上就是传统的session认证流程,基于session的认证会使应用本身很难得到扩展,随着客户端用户的增加,独立的服务器已无法承载更多的用户,如果是采用服务器集群,或者是跨域的服务导向架构,这时候基于session认证应用的问题就会暴露出来。

基于session认证的问题

  • Session: 客户端用户经过应用认证之后,应用都要在服务端做一次记录,以方便用户下次请求的授权,通常而言session保存在服务端的文件或数据库中,随着认证用户的增多,服务端的开销会明显增大。
  • 扩展性: 用户认证之后,服务端做认证记录,这意味着用户下次请求授权还必须要请求在这台服务器上,这样在分布式的应用上,相应的限制了负载均衡的能力。这也意味着限制了应用的扩展能力。
  • CSRF: 因为是基于cookie来进行用户识别的,如果被截获,用户就会很容易受到跨站请求伪造的攻击。

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7月1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。

基本概念

紧凑(compact)

由于Token尺寸较小,Token可以通过URL,POST参数或HTTP请求头发送。 另外,尺寸越小意味着传输速度越快。

自包含(self-contained)

有效载荷(Payload)包含有关用户的所有必需信息,避免了多次查询数据库。

JWT使用场景

授权(Authorization)

这是使用JWT的最常见方案。 一旦用户登录,每个后续请求都将包含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。

信息交换(Information Exchange)

JWT是在服务器之间安全地传输信息的一种好方法。 因为可以对JWT进行签名(例如,使用公钥/私钥对),所以您可以确定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被篡改。

JWT的构成

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,将它写成了三行。

JWT 的三个部分依次如下:

  • Header(头部)
  • Payload(负载)
  • Signature(签名)

写成一行,如下所示:

Header.Payload.Signature(xxxxx.yyyyy.zzzzz)

下面将依次介绍这三个部分。

Header

Header 部分是一个 JSON 对象,通常由两部分组成:Token的类型(即JWT)和所使用的签名算法,例如HMAC SHA256或RSA。

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

将上面的 JSON 对象使用 Base64URL 算法(详见后文)转成字符串,构成了第一部分:

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9

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。

然后将其进行Base64URL加密转换成字符串,得到JWT的第二部分。

eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9

Signature

Signature 部分是对前两部分的签名,防止数据篡改。该签证信息由三部分组成:

  • header(Base64URL加密后的字符串)
  • payload(Base64URL加密后的字符串)
  • secret(该密钥只有服务器知道,不能泄露给用户)

这个部分需要Base64URL加密后的header和Base64URL加密后的payload使用.连接组成的字符串,然后通过header中声明的加密方式进行加盐secret组合加密,然后就构成了jwt的第三部分。公式如下:

HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret)
// 示例代码
var encodedString = base64UrlEncode(header) + '.' + base64UrlEncode(payload);
var signature = HMACSHA256(encodedString, 'secret');

生成签名如下:

TJVA95OrM7E2cBab30RMHrHDcEfxjoYZgeFONFh7HgQ

将这三部分用.连接成一个完整的字符串,构成了最终的JWT:

  eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9.TJVA95OrM7E2cBab30RMHrHDcEfxjoYZgeFONFh7HgQ

JWT 的使用

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。

fetch('api/user/1', {
  headers: {
    'Authorization': 'Bearer ' + token
  }
})

服务端会验证token,如果验证通过就会返回相应的资源。整个流程就是这样的:

JWT 的特点

  1. 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。
  2. JWT 在不加密的情况下,不能将敏感数据写入 JWT。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 因为json的通用性,所以JWT是可以进行跨语言支持的,像JAVA,JavaScript,NodeJS,PHP等很多语言都可以使用。

参考

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