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JSON Web Tokens(JWT)

什么是 JSON Web Tokens？

JWT是为了在网络应用环境间传递声明而执行的一种基于JSON的开放标准（RFC 7519). 该token被设计为紧凑且安全的，特别适用于分布式站点的单点登录（SSO）场景。JWT的声明一般被用来在身份提供者和服务提供者间传递被认证的用户身份信息，以便于从资源服务器获取资源，也可以增加一些额外的其它业务逻辑所必须的声明信息，该token也可直接被用于认证，也可被加密。

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。

{
  "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。

JWT结构

JWT 以紧凑的形式由三部分组成，这些部分由点（.）分隔，分别是：

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

因此，JWT通常如下所示。

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

标头

标头通常由两部分组成：令牌的类型（即JWT）和所使用的签名算法，例如HMAC SHA256或RSA。

例如：

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

然后，此JSON被Base64Url编码以形成JWT的第一部分。

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 (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": "chongchong",
  "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。

签名

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。

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。

JWT的用法

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。

Why should we use JSON Web Tokens?

Let's talk about the benefits of JSON Web Tokens (JWT) when compared to Simple Web Tokens (SWT) and Security Assertion Markup Language Tokens (SAML).

As JSON is less verbose than XML, when it is encoded its size is also smaller, making JWT more compact than SAML. This makes JWT a good choice to be passed in HTML and HTTP environments.

Security-wise, SWT can only be symmetrically signed by a shared secret using the HMAC algorithm. However, JWT and SAML tokens can use a public/private key pair in the form of a X.509 certificate for signing. Signing XML with XML Digital Signature without introducing obscure security holes is very difficult when compared to the simplicity of signing JSON.

JSON parsers are common in most programming languages because they map directly to objects. Conversely, XML doesn't have a natural document-to-object mapping. This makes it easier to work with JWT than SAML assertions.

Regarding usage, JWT is used at Internet scale. This highlights the ease of client-side processing of the JSON Web token on multiple platforms, especially mobile.

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未加密方法是，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。

安全相关

  • 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