JSON Web Token(缩写 JWT)是目前最流行的跨域认证解决方案,本文介绍它的原理和用法。
【跨域认证的问题】
互联网服务用户认证一般流程是下面这样:
· 用户向服务器发送用户名和密码。
· 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。
· 服务器向用户返回一个 session_id,写入用户的 Cookie。
· 用户随后的每一次请求,都会通过 Cookie,将 session_id 传回服务器。
· 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。
【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。
{ "name": "Powerless", "role": "Admin", "endTime": "2020-08-08 08:08:08" }
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。
【JWT 的数据结构】
eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9.TJVA9I6IkpvaG4gRG9lIiwiYWHDcEfxjoYZgeFONFh7HgQ
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,将它写成了几行。
JWT 的三个部分依次如下:
Header(头部) Payload(负载) Signature(签名)
写成一行,就是下面的样子:
Header.Payload.Signature
Header
Header 部分是一个 JSON 对象,描述 JWT 的元数据,通常是下面的样子。
{ "alg": "HS256", "typ": "JWT" }
然后将头部进行base64加密(该加密是可以对称解密的),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": "Invisible", "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。
这个 JSON 对象也要使用 Base64URL 算法转成字符串。
Signature
Signature 部分是对前两部分的签名,防止数据篡改。
首先,需要指定一个密钥(secret)。这个密钥只有服务器才知道,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。
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"点"(.)分隔,就可以返回给用户。
注意:secret是保存在服务器端的,jwt的签发生成也是在服务器端的,secret就是用来进行jwt的签发和jwt的验证,所以,它就是你服务端的私钥,在任何场景都不应该流露出去。一旦客户端得知这个secret, 那就意味着客户端是可以自我签发jwt了。
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.wzxaini9.cn/?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。
【使用方式】
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。
Authorization: Bearer <token>
另一种做法是,跨域的时候,JWT 就放在 POST 请求的数据体里面。
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:
【特点】
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。
JWT 不加密的情况下,不能将秘密数据写入 JWT。
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。
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。
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。
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。
【总结】
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。
因为有了payload部分,所以JWT可以在自身存储一些其他业务逻辑所必要的非敏感信息。
便于传输,jwt的构成非常简单,字节占用很小,所以它是非常便于传输的。
它不需要在服务端保存会话信息, 所以它易于应用的扩展
不应该在jwt的payload部分存放敏感信息,因为该部分是客户端可解密的部分。
保护好secret私钥,该私钥非常重要。
如果可以,请使用https协议
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