10分鐘了解JSON Web令牌（JWT）

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JSON Web Token（JWT）是目前最流行的跨域身份驗證解決方案。蟲蟲今天給大家介紹JWT的原理和用法。

1.跨域身份驗證

Internet服務無法與用戶身份驗證分開。一般過程如下。

1.用戶向服務器發送用戶名和密碼。

2.驗證服務器后，相關數據（如用戶角色，登錄時間等）將保存在當前會話中。

3.服務器向用戶返回session_id，session信息都會寫入到用戶的Cookie。

4.用戶的每個后續請求都將通過在Cookie中取出session_id傳給服務器。

5.服務器收到session_id并對比之前保存的數據，確認用戶的身份。

這種模式最大的問題是，沒有分布式架構，無法支持橫向擴展。如果使用一個服務器，該模式完全沒有問題。但是，如果它是服務器群集或面向服務的跨域體系結構的話，則需要一個統一的session數據庫庫來保存會話數據實現共享，這樣負載均衡下的每個服務器才可以正確的驗證用戶身份。

例如蟲蟲舉一個實際中常見的單點登陸的需求：站點A和站點B提供同一公司的相關服務。現在要求用戶只需要登錄其中一個網站，然后它就會自動登錄到另一個網站。怎么做？

一種解決方案是聽過持久化session數據，寫入數據庫或文件持久層等。收到請求后，驗證服務從持久層請求數據。該解決方案的優點在于架構清晰，而缺點是架構修改比較費勁，整個服務的驗證邏輯層都需要重寫，工作量相對較大。而且由于依賴于持久層的數據庫或者問題系統，會有單點風險，如果持久層失敗，整個認證體系都會掛掉。

本文蟲蟲給大家介紹另外一種靈活的解決方案，通過客戶端保存數據，而服務器根本不保存會話數據，每個請求都被發送回服務器。 JWT是這種解決方案的代表。

2. JWT的原則

JWT的原則是在服務器身份驗證之后，將生成一個JSON對象并將其發送回用戶，如下所示。

{

"UserName": "Chongchong",

"Role": "Admin",

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

}

之后，當用戶與服務器通信時，客戶在請求中發回JSON對象。服務器僅依賴于這個JSON對象來標識用戶。為了防止用戶篡改數據，服務器將在生成對象時添加簽名（有關詳細信息，請參閱下文）。

服務器不保存任何會話數據，即服務器變為無狀態，使其更容易擴展。

3. JWT的數據結構

典型的，一個JWT看起來如下圖。

改對象為一個很長的字符串，字符之間通過"."分隔符分為三個子串。注意JWT對象為一個長字串，各字串之間也沒有換行符，此處為了演示需要，我們特意分行并用不同顏色表示了。每一個子串表示了一個功能塊，總共有以下三個部分：

JWT的三個部分如下。JWT頭、有效載荷和簽名，將它們寫成一行如下。

我們將在下面介紹這三個部分。

3.1 JWT頭

JWT頭部分是一個描述JWT元數據的JSON對象，通常如下所示。

{

"alg": "HS256",

"typ": "JWT"

}

在上面的代碼中，alg屬性表示簽名使用的算法，默認為HMAC SHA256（寫為HS256）；typ屬性表示令牌的類型，JWT令牌統一寫為JWT。

最后，使用Base64 URL算法將上述JSON對象轉換為字符串保存。

3.2 有效載荷

有效載荷部分，是JWT的主體內容部分，也是一個JSON對象，包含需要傳遞的數據。 JWT指定七個默認字段供選擇。

iss：發行人

exp：到期時間

sub：主題

aud：用戶

nbf：在此之前不可用

iat：發布時間

jti：JWT ID用于標識該JWT

除以上默認字段外，我們還可以自定義私有字段，如下例：

{

"sub": "1234567890",

"name": "chongchong",

"admin": true

}

請注意，默認情況下JWT是未加密的，任何人都可以解讀其內容，因此不要構建隱私信息字段，存放保密信息，以防止信息泄露。

JSON對象也使用Base64 URL算法轉換為字符串保存。

3.3簽名哈希

簽名哈希部分是對上面兩部分數據簽名，通過指定的算法生成哈希，以確保數據不會被篡改。

首先，需要指定一個密碼（secret）。該密碼僅僅為保存在服務器中，并且不能向用戶公開。然后，使用標頭中指定的簽名算法（默認情況下為HMAC SHA256）根據以下公式生成簽名。

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

secret)

在計算出簽名哈希后，JWT頭，有效載荷和簽名哈希的三個部分組合成一個字符串，每個部分用"."分隔，就構成整個JWT對象。

3.4 Base64URL算法

如前所述，JWT頭和有效載荷序列化的算法都用到了Base64URL。該算法和常見Base64算法類似，稍有差別。

作為令牌的JWT可以放在URL中（例如api.example/?token=xxx）。 Base64中用的三個字符是"+"，"/"和"="，由于在URL中有特殊含義，因此Base64URL中對他們做了替換："="去掉，"+"用"-"替換，"/"用"_"替換，這就是Base64URL算法，很簡單把。

4. JWT的用法

客戶端接收服務器返回的JWT，將其存儲在Cookie或localStorage中。

此后，客戶端將在與服務器交互中都會帶JWT。如果將它存儲在Cookie中，就可以自動發送，但是不會跨域，因此一般是將它放入HTTP請求的Header Authorization字段中。

Authorization: Bearer

當跨域時，也可以將JWT被放置于POST請求的數據主體中。

5. JWT問題和趨勢

1、JWT默認不加密，但可以加密。生成原始令牌后，可以使用改令牌再次對其進行加密。

2、當JWT未加密方法是，一些私密數據無法通過JWT傳輸。

3、JWT不僅可用于認證，還可用于信息交換。善用JWT有助于減少服務器請求數據庫的次數。

4、JWT的最大缺點是服務器不保存會話狀態，所以在使用期間不可能取消令牌或更改令牌的權限。也就是說，一旦JWT簽發，在有效期內將會一直有效。

5、JWT本身包含認證信息，因此一旦信息泄露，任何人都可以獲得令牌的所有權限。為了減少盜用，JWT的有效期不宜設置太長。對于某些重要操作，用戶在使用時應該每次都進行進行身份驗證。

6、為了減少盜用和竊取，JWT不建議使用HTTP協議來傳輸代碼，而是使用加密的HTTPS協議進行傳輸。

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