JWT - JWT Token原理 - 《Java 知识总结 Knowledge Summary

1. JWT 介绍
2. JWT适用场景
4. JWT结构
5. JWT实践
6. JWT工作原理
7. 常见问题
8. JWT使用建议

1. JWT 介绍

JSON Web Token（JWT）是一个开放式标准（RFC 7519），它定义了一种紧凑（Compact）且自包含（Self-contained）的方式，用于在各方之间以JSON对象安全传输信息。这些信息可以通过数字签名进行验证和信任。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。

虽然JWT可以加密以提供各方之间的保密性，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索赔的完整性，而加密令牌隐藏来自其他方的索赔。当令牌使用公钥/私钥对进行签名时，签名还证明只有持有私钥的方是签名方。

我们来进一步解释一些概念：

Compact（紧凑）：
由于它们尺寸较小，JWT可以通过URL，POST参数或HTTP标头内发送。另外，尺寸越小意味着传输速度越快。
Self-contained（自包含）:
有效载荷（Playload）包含有关用户的所有必需信息，避免了多次查询数据库。

2. JWT适用场景
Authentication（鉴权）：
这是使用JWT最常见的情况。一旦用户登录，每个后续请求都将包含JWT，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，并且能够轻松地跨不同域使用。
Information Exchange（信息交换）：
JSON Web Tokens是在各方之间安全传输信息的好方式。因为JWT可以签名：例如使用公钥/私钥对，所以可以确定发件人是他们自称的人。此外，由于使用标头和有效载荷计算签名，因此您还可以验证内容是否未被篡改。

4. JWT结构

在紧凑的形式中，JWT包含三个由点（.）分隔的部分，它们分别是：
Header
Payload
Signature

JWT结构通常如下所示：

xxxxx.yyyyy.zzzzz

下面我们分别来介绍这三个部分：

Header

Header通常由两部分组成：令牌的类型，即JWT。和常用的散列算法，如HMAC SHA256或RSA。
例如：

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

Header部分的JSON被Base64Url编码，形成JWT的第一部分。

Payload

这里放声明内容，可以说就是存放沟通讯息的地方，在定义上有3种声明（Claims）：

Registered claims（注册声明）:
这些是一组预先定义的声明，它们不是强制性的，但推荐使用，以提供一组有用的，可互操作的声明。其中一些是：iss（发行者），exp（到期时间），sub（主题），aud（受众）等。#Registered Claim Names#
Public claims（公开声明）:
这些可以由使用JWT的人员随意定义。但为避免冲突，应在IANA JSON Web令牌注册表中定义它们，或将其定义为包含防冲突命名空间的URI。
Private claims（私有声明）:
这些是为了同意使用它们但是既没有登记，也没有公开声明的各方之间共享信息，而创建的定制声明。

Playload示例如下：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "admin": true
}

Playload部分的JSON被Base64Url编码，形成JWT的第二部分。

Notice:

请注意，对于已签名的令牌，此信息尽管受到篡改保护，但任何人都可以阅读。除非加密，否则不要将秘密信息放在JWT的有效内容或标题元素中。这也是很多文章争论jwt安全性原因，不要用 JWT 取代 Server-side 的 Session状态机制。详情请阅读这篇文章：Stop Using Jwt For Sessions.

Signature

第三部分signature用来验证发送请求者身份，由前两部分加密形成。
要创建签名部分，您必须采用编码标头，编码有效载荷，秘钥，标头中指定的算法并签名。
例如，如果你想使用HMAC SHA256算法，签名将按照以下方式创建：

HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret)

5. JWT实践

JWT输出的是三个由点分隔的Base64-URL字符串，可以在HTML和HTTP环境中轻松传递，而与基于XML的标准（如SAML）相比，它更加紧凑。

以下JWT示例，它具有先前的标头和有效负载编码，并且使用秘钥进行签名。
JWT Token原理 - 图1
我们可以使用jwt.io调试器来解码，验证和生成JWT：
JWT Token原理 - 图2

6. JWT工作原理

在身份验证中，当用户使用他们的凭证成功登录时，JSON Web Token将被返回并且必须保存在本地（通常在本地存储中，但也可以使用Cookie），而不是在传统方法中创建会话服务器并返回一个cookie。

关于存储令牌（Token）的方式，必须考虑安全因素。
参考： #Where to Store Tokens#

无论何时用户想要访问受保护的路由或资源，用户代理都应使用承载方案发送JWT，通常在请求头中的Authorization字段，使用Bearer schema：

Authorization: Bearer

这是一种无状态身份验证机制，因为用户状态永远不会保存在服务器内存中。服务器受保护的路由将在授权头中检查有效的JWT，如果存在，则允许用户访问受保护的资源。由于JWT是独立的，所有必要的信息都在那里，减少了多次查询数据库的需求。

这使得我们可以完全依赖无状态的数据API，甚至向下游服务提出请求。无论哪些域正在为API提供服务并不重要，因此不会出现跨域资源共享（CORS）的问题，因为它不使用Cookie。
JWT Token原理 - 图3
Notice:

请注意，使用已签名的令牌，令牌中包含的所有信息都会暴露给用户或其他方，即使他们无法更改它。在JWT中，不应该在Playload里面加入任何敏感的数据,比如像密码这样的内容。如果将用户的密码放在了JWT中，那么怀有恶意的第三方通过Base64解码就能很快地知道你的密码了。

7. 常见问题

① JWT 安全嗎?

Base64编码方式是可逆的，也就是透过编码后发放的Token内容是可以被解析的。一般而言，我们都不建议在有效载荷内放敏感讯息，比如使用者的密码。

② JWT Payload 內容可以被伪造嗎？

JWT其中的一个组成内容为Signature，可以防止通过Base64可逆方法回推有效载荷内容并将其修改。因为Signature是经由Header跟Payload一起Base64组成的。

③ 如果我的 Cookie 被窃取了，那不就表示第三方可以做 CSRF 攻击?

是的，Cookie丢失，就表示身份就可以被伪造。故官方建议的使用方式是存放在LocalStorage中，并放在请求头中发送。

④ 空间及长度问题？

JWT Token通常长度不会太小，特别是Stateless JWT Token，把所有的数据都编在Token里，很快的就会超过Cookie的大小（4K）或者是URL长度限制。

⑤ Token失效问题？

无状态JWT令牌（Stateless JWT Token）发放出去之后，不能通过服务器端让令牌失效，必须等到过期时间过才会失去效用。
假设在这之间Token被拦截，或者有权限管理身份的差异造成授权Scope修改，都不能阻止发出去的Token失效并要求使用者重新请求新的Token。

8. JWT使用建议

不要存放敏感信息在Token里。
Payload中的exp时效不要设定太长。
开启Only Http预防XSS攻击。
如果担心重播攻击（replay attacks ）可以增加jti（JWT ID），exp（有效时间） Claim。
在你的应用程序应用层中增加黑名单机制，必要的时候可以进行Block做阻挡（这是针对掉令牌被第三方使用窃取的手动防御）。

JWT Token原理