JWT介绍

JWT全称为:JSON Web Token是目前最流行的跨域认证的解决方案。

跨域认证的问题

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。

image.png

这种模式的问题在于,扩展性不好。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。

image.png

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。

1
2
3
4
5
{
"username": "admin",
"role": "admin",
"expire": "2018-12-24 20:15:56"
}

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

实际的 JWT 大概就像下面这样。
image.png

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)
  • Payload (负载)
  • Signature (签名)
    写成一行,就是下面的样子:
    1
    Header.Payload.Signature

image.png
下面依次介绍这三个部分。

Header 部分是一个 JSON 对象,描述 JWT 的元数据,通常是下面的样子。

1
2
3
4
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}

上面代码中,alg属性表示签名的算法(algorithm),默认是 HMAC SHA256(写成 HS256);typ属性表示这个令牌(token)的类型(type),JWT令牌统一写为JWT。
最后,将上面的 JSON 对象使用 Base64URL 算法(详见后文)转成字符串。

JWT里验证和签名使用的算法,可选择下面的:

JWS算法名称描述
HS256HMAC256HMAC with SHA-256
HS384HMAC384HMAC with SHA-384
HS512HMAC512HMAC with SHA-512
RS256RSA256RSASSA-PKCS1-v1_5 with SHA-256
RS384RSA384RSASSA-PKCS1-v1_5 with SHA-384
RS512RSA512RSASSA-PKCS1-v1_5 with SHA-512
ES256ECDSA256ECDSA with curve P-256 and SHA-256
ES384ECDSA384ECDSA with curve P-384 and SHA-384
ES512ECDSA512ECDSA with curve P-521 and SHA-512

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。
    1
    2
    3
    4
    5
    {
    "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。
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。

1
2
3
4
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。

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+/=,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。

JWT的使用方式

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。

1
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。

JWT 的几个特点

  • 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。

参考