1. 前言

互联网服务离不开用户认证，一般流程是下面这样。

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。

这种模式的问题在于，扩展性（scaling）不好。单机当然没有问题，如果是服务器集群，或者是跨域的服务导向架构，就要求 session 数据共享，每台服务器都能够读取 session。

举例来说，A 网站和 B 网站是同一家公司的关联服务。现在要求，用户只要在其中一个网站登录，再访问另一个网站就会自动登录，请问怎么实现？

一种解决方案是 session 数据持久化，写入数据库或别的持久层。各种服务收到请求后，都向持久层请求数据。这种方案的优点是架构清晰，缺点是工程量比较大。另外，持久层万一挂了，就会单点失败。

另一种方案是服务器索性不保存 session 数据了，所有数据都保存在客户端，每次请求都发回服务器。JWT 就是这种方案的一个代表。

下面介绍 JWT 的使用。

2. 什么是JWT

JWT是 Json Web Token 的缩写。它是基于 RFC 7519 标准定义的一种可以安全传输的 小巧 和 自包含 的 JSON 对象。由于数据是使用数字签名的，所以是可信任的和安全的。JWT 可以使用 HMAC 算法对 secret 进行加密或者使用 RSA 的公钥私钥对来进行签名。

3. JWT的工作流程

下面是模拟 JWT 的实际工作流程（假设受保护的 API 在 /protected 中）

  1. 用户导航到登录页，输入用户名、密码，进行登录
  2. 服务器验证登录鉴权，如果该用户合法，根据用户的信息和服务器的规则生成 JWT Token
  3. 服务器将该 token 以 json 形式返回（不一定要 json 形式，这里说的是一种常见的做法）
  4. 用户得到 token，存在 localStorage、cookie 或其它数据存储形式中
  5. 以后用户请求 /protected 中的 API 时，在请求的 header 中加入 Authorization: Bearer xxxx(token)。此处注意 token 之前有一个7字符长度的 Bearer
  6. 服务器端对此token进行检验，如果合法就解析其中内容，根据其拥有的权限和自己的业务逻辑给出对应的响应结果
  7. 用户取得结果

4. JWT的数据结构

为了更好的理解 JWT 是什么，我们先来看一个 JWT 生成后的样子

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eyJhbGciOiJIUzUxMiJ9.eyJzdWIiOiJ3YW5nIiwiY3JlYXRlZCI6MTQ4OTA3OTk4MTM5MywiZXhwIjoxNDg5Njg0NzgxfQ.RC-BYCe_UZ2URtWddUpWXIp4NMsoeq2O6UF-8tVplqXY1-CI9u1-a-9DAAJGfNWkHE81mpnR3gXzfrBAB3WUAg

上面这一串的字符串就是一个 JWT 了，虽然说很长，但是仔细看的话就可以看到这个 JWT 分成了三个部分。每个部分用了一个 . 来分隔，每段都是用 Base64URL 编码的。JWT 的三部分依次如下

  • Header: 头部
  • Payload: 负载
  • Signature: 签名

写成一行就是下面这个样子

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Header.Payload.Signature

4.1 Header

第一部分 Header 是一个 JSON 对象，描述 JWT 的元数据，通常是这个样子的

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

alg 属性表示签名的算法 (algorithm)，默认是 HMAC SHA256

typ 属性表示这个令牌 (token) 的类型 (type)，JWT 令牌统一写为 JWT

然后将这个 JSON 对象使用 Base64URL 算法转成字符串。

4.2 Payload

第二部分 Payload 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个官方字段供使用

  • 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

除了这7个官方字段外，用户还可以在这个部分定义自定义字段，如下

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{
    "sub":"sgh",
    "test":"这是一个自定义的字段"
}

注意 ，JWT 默认是不加密的，任何人都可以读到，所以不要把如用户密码等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。

4.3 Signature

第三个部分 Signature 是对前两个部分的签名，防止数据被篡改。

首先需要指定一个秘钥 (secret)，此秘钥只有服务器知道，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

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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 . 分隔，就可以返回给用户。

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。

5. 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 不加密的情况下，不能将秘密数据写入 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。

6. JWT的生成和解析

为了简化我们的工作，这里引入一个比较成熟的 JWT 类库，叫 jjwt。这个类库可以用于 Java 和 Android 的 JWT token 的生成和验证。

首先要导入 jjwt 的坐标

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<!--JWT-->
<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt</artifactId>
    <version>0.9.1</version>
</dependency>

导入完 jjwt 的坐标之后, JWT 的生成可以使用下面这样的代码完成

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String generateToken(Map<String, Object> claims) {
    return Jwts.builder()
            .setClaims(claims)
            .setExpiration(generateExpirationDate())
            .signWith(SignatureAlgorithm.HS512, secret) //采用什么算法是可以自己选择的，不一定非要采用HS512
            .compact();
}

数据声明 (Claim) 其实就是一个 Map，比如我们想放入用户名，可以简单的创建一个 Map 然后 put 进去就可以了。

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Map<String, Object> claims = new HashMap<>();
claims.put(CLAIM_KEY_USERNAME, "sgh");

解析也很简单，利用 jjwt 提供的 parser 传入秘钥，然后就可以解析 token 了。

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Claims getClaimsFromToken(String token) {
    Claims claims;
    try {
        claims = Jwts.parser()
                .setSigningKey(secret)
                .parseClaimsJws(token)
                .getBody();
    } catch (Exception e) {
        claims = null;
    }
    return claims;
}

JWT 本身没啥难度，但安全整体是一个比较复杂的事情，JWT 只不过提供了一种基于 token 的请求验证机制。但我们的用户权限，对于 API 的权限划分、资源的权限划分，用户的验证等等都不是 JWT 负责的。也就是说，请求验证后，你是否有权限看对应的内容是由你的用户角色决定的。所以我们这里要利用 Spring 的一个子项目 Spring Security 来简化我们的工作。

具体如何操作，请看 JWT整合Spring-Security

7. 参考资料

  1. 重拾后端之Spring Boot（四）：使用 JWT 和 Spring Security 保护 REST API
  2. JSON Web Token 入门教程 - 阮一峰的网络日志