介绍

我们知道 web 服务使用最多的认证方式为基于 Session 的认证: Cookie、Session和Token认证 , 但是这种模式最大的问题是，没有分布式架构，无法支持横向扩展。如果使用一个服务器，该模式完全没有问题。但是，如果它是服务器集群或面向服务的跨域体系结构的话，则需要一个统一的session数据库来保存session会话数据实现共享，这样负载均衡下的每个服务器才可以正确的验证用户身份。那现在有这么一个需求：站点A和站点B提供同一公司的相关服务。现在要求用户只需要登录其中一个网站，然后它就会自动登录到另一个网站。怎么做？一种解决方案是听过持久化session数据，写入数据库或文件持久层等。收到请求后，验证服务从持久层请求数据。该解决方案的优点在于架构清晰，而缺点是架构修改比较费劲，整个服务的验证逻辑层都需要重写，工作量相对较大。而且由于依赖于持久层的数据库或者问题系统，会有单点风险，如果持久层失败，整个认证体系都会挂掉。那么，JWT(Json Web Token)诞生了！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.     "UserName": "admin",
  3.     "Role": "0",
  4.     "Expire": "2019-08-26 12:25:36"
  5. }

之后，当用户与服务器通信时，客户在请求中发回JSON对象。服务器仅依赖于这个JSON对象来标识用户。为了防止用户篡改数据，服务器将在生成对象时添加签名。这样，服务器不保存任何会话数据，即服务器变为无状态，使其更容易扩展。

JWT 结构

JWT由三部分构成，header（头部）、payload（载荷）和 signature（签名）

JWT 介绍 - 图1

header

JWT头部分是一个描述 JWT 元数据的JSON对象，通常如下所示

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

在上面的代码中，alg 属性表示签名使用的算法，默认为HMAC SHA256（写为HS256）；typ 属性表示令牌的类型，JWT令牌统一写为 JWT.

JWT 介绍 - 图2

最后，使用Base64 URL算法将上述JSON对象转换为字符串保存

Payload

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

  1. - iss：发行人
  2. - exp：到期时间
  3. - sub：主题
  4. - aud：用户
  5. - nbf：在此之前不可用
  6. - iat：发布时间
  7. - jti：JWT ID用于标识该JWT

除以上默认字段外，我们还可以自定义私有字段，如下例：

  1. {
  2.     "name": "admin",
  3.     "role": 0
  4. }

请注意，默认情况下JWT是未加密的，任何人都可以解读其内容，因此不要构建隐私信息字段，存放保密信息，以防止信息泄露。JSON对象也使用 Base64 URL算法转换为字符串保存。

SIGNATURE

签名哈希部分是对上面两部分数据签名，通过指定的算法生成哈希，以确保数据不会被篡改。首先，需要指定一个密码（secret）。该密码仅仅为保存在服务器中，并且不能向用户公开。然后，使用标头中指定的签名算法（默认情况下为HMAC SHA256）根据以下公式生成签名。

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

:::info 在计算出签名哈希后，JWT头，有效载荷和签名哈希的三个部分组合成一个字符串，每个部分用 “.” 分隔，就构成整个JWT对象。

:::

JWT 使用

客户端接收服务器返回的JWT，将其存储在Cookie或localStorage中。此后，客户端将在与服务器交互中都会带JWT。如果将它存储在Cookie中，就可以自动发送，但是不会跨域，因此一般是将它放入HTTP请求的Header Authorization字段中.当跨域时，也可以将JWT被放置于POST请求的数据主体中。如下是放在 X-Access-Token字段中。

JWT 介绍 - 图3

JWT 服务端验证

后端服务器收到客户端发来的JWT数据的话，根据Base64 URL算法将header部分还原，取出加密算法。根据加密算法、payload、secret 进行重新签名，并且比对签名值来判断该字符串是否被篡改。Reserved claims 也会被用来进行校验jwt字符串，

下面我们来一一列举。

  • iss(Issuser)：如果签发的时候这个claim的值是“a.com”，验证的时候如果这个claim的值不是“a.com”就属于验证失败
  • sub(Subject)：如果签发的时候这个claim的值是“admin”，验证的时候如果这个claim的值不是“admin”就属于验证失败
  • aud(Audience)：如果签发的时候这个claim的值是 “[‘b.com’,’c.com’]” ，验证的时候这个claim的值至少要包含b.com，c.com的其中一个才能验证通过；
  • exp(Expiration time)：如果验证的时候超过了这个claim指定的时间，就属于验证失败；
  • iat(Issued at)：它可以用来做一些maxAge之类的验证，假如验证时间与这个claim指定的时间与这个claim指定的时间

JWT vs JWS vs JWE

JWT规范实际上是非常有限的。它只定义了一种代表（“声明”）信息的格式，作为一个可以在双方之间传输的JSON对象。在实践中，JWT并没有真正作为一个独立的实体来使用。JWT规范由JSON Web Signature（JWS）和JSON Web Encryption（JWE）规范扩展，它们定义了实际实现JWT的具体方法

JWT 介绍 - 图4

换句话说，JWT通常是一个JWS或JWE令牌。当人们使用术语“JWT”时，几乎都是指JWS令牌。JWE非常相似，只是令牌的实际内容是加密的，而不仅仅是编码的