JWT

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JSON Web Token（缩写 JWT）是目前最流行的跨域认证解决方案

JWT背景

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。

JWT的结构

jwt是一个很长的字符串，有三部分，中间用点号隔开。

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。

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Header.Payload.Signature

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

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{
  "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。

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。

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{
  "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。

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。

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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。

JWT的特点

优点

1. 该方案更易于水平扩展

在cookie-session方案中，cookie内仅包含一个session标识符，而诸如用户信息、授权列表等都保存在服务端的session中。如果把session中的认证信息都保存在JWT中，在服务端就没有session存在的必要了。当服务端水平扩展的时候，就不用处理session复制（session replication）/ session黏连（sticky session）或是引入外部session存储了。

2. 该方案可防护CSRF攻击

缺点

  1. 更多的空间占用。

    如果将原存在服务端session中的各类信息都放在JWT中保存在客户端，可能造成JWT占用的空间变大，需要考虑cookie的空间限制等因素，如果放在Local Storage，则可能受到XSS攻击。

  2. 更不安全。

    这里是特指将JWT保存在Local Storage中，然后使用Javascript取出后作为HTTP header发送给服务端的方案。在Local Storage中保存敏感信息并不安全，容易受到跨站脚本攻击，跨站脚本（Cross site script，简称xss）是一种“HTML注入”，由于攻击的脚本多数时候是跨域的，所以称之为“跨域脚本”，这些脚本代码可以盗取cookie或是Local Storage中的数据。可以从这篇文章查看 XSS攻击的原理解释。

  3. 无法作废已颁布的令牌。

    所有的认证信息都在JWT中，由于在服务端没有状态，即使你知道了某个JWT被盗取了，你也没有办法将其作废。在JWT过期之前（你绝对应该设置过期时间），你无能为力。

  4. 不易应对数据过期。

    与上一条类似，JWT有点类似缓存，由于无法作废已颁布的令牌，在其过期前，你只能忍受“过期”的数据。

参考文章：

http://www.ruanyifeng.com/blog/2018/07/json_web_token-tutorial.html

https://juejin.im/entry/5993a030f265da24941202c2