JSON Web Token 入门教程

Dear 丶 2023-02-11 07:20 33阅读 0赞

JSON Web Token（缩写 JWT）是目前最流行的跨域认证解决方案，本文介绍它的原理和用法。

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## 一、跨域认证的问题 ##

互联网服务离不开用户认证。一般流程是下面这样。

> 1、用户向服务器发送用户名和密码。
> 
> 2、服务器验证通过后，在当前对话（session）里面保存相关数据，比如用户角色、登录时间等等。
> 
> 3、服务器向用户返回一个 session\_id，写入用户的 Cookie。
> 
> 4、用户随后的每一次请求，都会通过 Cookie，将 session\_id 传回服务器。
> 
> 5、服务器收到 session\_id，找到前期保存的数据，由此得知用户的身份。

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。

## 二、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。

## 三、JWT 的数据结构 ##

实际的 JWT 大概就像下面这样。

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它是一个很长的字符串，中间用点（`.`）分隔成三个部分。注意，JWT 内部是没有换行的，这里只是为了便于展示，将它写成了几行。

JWT 的三个部分依次如下。

>  *  Header（头部）
>  *  Payload（负载）
>  *  Signature（签名）

写成一行，就是下面的样子。

>     Header.Payload.Signature

![format_png 2][]

下面依次介绍这三个部分。

### 3.1 Header ###

Header 部分是一个 JSON 对象，描述 JWT 的元数据，通常是下面的样子。

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

上面代码中，`alg`属性表示签名的算法（algorithm），默认是 HMAC SHA256（写成 HS256）；`typ`属性表示这个令牌（token）的类型（type），JWT 令牌统一写为`JWT`。

最后，将上面的 JSON 对象使用 Base64URL 算法（详见后文）转成字符串。

### 3.2 Payload ###

Payload 部分也是一个 JSON 对象，用来存放实际需要传递的数据。JWT 规定了7个官方字段，供选用。

>  *  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

除了官方字段，你还可以在这个部分定义私有字段，下面就是一个例子。

>     {
>       "sub": "1234567890",
>       "name": "John Doe",
>       "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。

### 3.3 Signature ###

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。

### 3.4 Base64URL ###

前面提到，Header 和 Payload 串型化的算法是 Base64URL。这个算法跟 Base64 算法基本类似，但有一些小的不同。

JWT 作为一个令牌（token），有些场合可能会放到 URL（比如 api.example.com/?token=xxx）。Base64 有三个字符`+`、`/`和`=`，在 URL 里面有特殊含义，所以要被替换掉：`=`被省略、`+`替换成`-`，`/`替换成`_` 。这就是 Base64URL 算法。

## 四、JWT 的使用方式 ##

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。

## 五、JWT 的几个特点 ##

（1）JWT 默认是不加密，但也是可以加密的。生成原始 Token 以后，可以用密钥再加密一次。

（2）JWT 不加密的情况下，不能将秘密数据写入 JWT。

（3）JWT 不仅可以用于认证，也可以用于交换信息。有效使用 JWT，可以降低服务器查询数据库的次数。

（4）JWT 的最大缺点是，由于服务器不保存 session 状态，因此无法在使用过程中废止某个 token，或者更改 token 的权限。也就是说，一旦 JWT 签发了，在到期之前就会始终有效，除非服务器部署额外的逻辑。

（5）JWT 本身包含了认证信息，一旦泄露，任何人都可以获得该令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT 的有效期应该设置得比较短。对于一些比较重要的权限，使用时应该再次对用户进行认证。

（6）为了减少盗用，JWT 不应该使用 HTTP 协议明码传输，要使用 HTTPS 协议传输。

## 六、参考链接 ##

*  [Introduction to JSON Web Tokens][]， by Auth0
 *  [Sessionless Authentication using JWTs (with Node + Express + Passport JS)][Sessionless Authentication using JWTs _with Node _ Express _ Passport JS], by Bryan Manuele
 *  [Learn how to use JSON Web Tokens][], by dwyl

作者： [阮一峰][Link 1]

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[Introduction to JSON Web Tokens]: https://jwt.io/introduction/
[Sessionless Authentication using JWTs _with Node _ Express _ Passport JS]: https://medium.com/@bryanmanuele/sessionless-authentication-withe-jwts-with-node-express-passport-js-69b059e4b22c
[Learn how to use JSON Web Tokens]: https://github.com/dwyl/learn-json-web-tokens/blob/master/README.md
[Link 1]: http://www.ruanyifeng.com/