JSON Web Token（JWT）原理和用法介绍

JSON Web Token（JWT）是目前最流行的跨域身份验证解决方案。今天给你们介绍一下JWT的原理和用法。

官网地址：https://jwt.io/

1、跨域身份验证

Internet服务没法与用户身份验证分开。通常过程以下。

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，登陆时间等）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. 用户的每一个后续请求都将经过在Cookie中取出session_id传给服务器。

5. 服务器收到session_id并对比以前保存的数据，确认用户的身份。

 

这种模式最大的问题是，没有分布式架构，没法支持横向扩展。若是使用一个服务器，该模式彻底没有问题。可是，若是它是服务器群集或面向服务的跨域体系结构的话，则须要一个统一的session数据库库来保存会话数据实现共享，这样负载均衡下的每一个服务器才能够正确的验证用户身份。

举一个实际中常见的单点登录的需求：站点A和站点B提供同一公司的相关服务。如今要求用户只须要登陆其中一个网站，而后它就会自动登陆到另外一个网站。怎么作？

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。该解决方案的优势在于架构清晰，而缺点是架构修改比较费劲，整个服务的验证逻辑层都须要重写，工做量相对较大。并且因为依赖于持久层的数据库或者问题系统，会有单点风险，若是持久层失败，整个认证体系都会挂掉。

本文给你们介绍另一种灵活的解决方案，经过客户端保存数据，而服务器根本不保存会话数据，每一个请求都被发送回服务器。 JWT是这种解决方案的表明。

 

2、JWT的原则

JWT的原则是在服务器身份验证以后，将生成一个JSON对象并将其发送回用户，以下所示。

{

"UserName": "Chongchong",

"Role": "Admin",

"Expire": "2018-08-08 20:15:56"

}

以后，当用户与服务器通讯时，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。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。

3、JWT的数据结构

典型的，一个JWT看起来以下图。

 

该对象为一个很长的字符串，字符之间经过"."分隔符分为三个子串。注意JWT对象为一个长字串，各字串之间也没有换行符，此处为了演示须要，咱们特地分行并用不一样颜色表示了。每个子串表示了一个功能块，总共有如下三个部分：JWT头、有效载荷和签名。

3.1 JWT头

JWT头部分是一个描述JWT元数据的JSON对象，一般以下所示。

{

"alg": "HS256",

"typ": "JWT"

}

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。

最后，使用Base64 URL算法将上述JSON对象转换为字符串保存。

3.2 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，包含须要传递的数据。 JWT指定七个默认字段供选择。

iss：发行人

exp：到期时间

sub：主题

aud：用户

nbf：在此以前不可用

iat：发布时间

jti：JWT ID用于标识该JWT

除以上默认字段外，咱们还能够自定义私有字段，以下例：

{

"sub": "1234567890",

"name": "chongchong",

"admin": true

}

请注意，默认状况下JWT是未加密的，任何人均可以解读其内容，所以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。

3.3 签名哈希

签名哈希部分是对上面两部分数据签名，经过指定的算法生成哈希，以确保数据不会被篡改。

首先，须要指定一个密码（secret）。该密码仅仅为保存在服务器中，而且不能向用户公开。而后，使用标头中指定的签名算法（默认状况下为HMAC SHA256）根据如下公式生成签名。

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

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，每一个部分用"."分隔，就构成整个JWT对象。

3.4 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算法相似，稍有差异。

做为令牌的JWT能够放在URL中（例如api.example/?token=xxx）。 Base64中用的三个字符是"+"，"/"和"="，因为在URL中有特殊含义，所以Base64URL中对他们作了替换："="去掉，"+"用"-"替换，"/"用"_"替换，这就是Base64URL算法，很简单把。

4、JWT的用法

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。若是将它存储在Cookie中，就能够自动发送，可是不会跨域，所以通常是将它放入HTTP请求的Header Authorization字段中。

Authorization: Bearer

当跨域时，也能够将JWT被放置于POST请求的数据主体中。

5、JWT问题和趋势

一、JWT默认不加密，但能够加密。生成原始令牌后，可使用改令牌再次对其进行加密。

二、当JWT未加密方法是，一些私密数据没法经过JWT传输。

三、JWT不只可用于认证，还可用于信息交换。善用JWT有助于减小服务器请求数据库的次数。

四、JWT的最大缺点是服务器不保存会话状态，因此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。

五、JWT自己包含认证信息，所以一旦信息泄露，任何人均可以得到令牌的全部权限。为了减小盗用，JWT的有效期不宜设置太长。对于某些重要操做，用户在使用时应该每次都进行进行身份验证。

六、为了减小盗用和窃取，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。