JAVA基于JWT的token身份认证方案

一、使用JSON Web Token的好处

1.性能问题。
JWT方式将用户状态分散到了客户端中，相比于session，可以明显减轻服务端的内存压力。
Session方式存储用户id的最大弊病在于Session是存储在服务器端的，所以需要占用大量服务器内存，
对于较大型应用而言可能还要保存许多的状态，一般还需借助nosql和缓存机制来实现session的存储，如果是分布式应用还需session共享。
2.单点登录。
JWT能轻松的实现单点登录，因为用户的状态已经被传送到了客户端。
token 可保存自定义信息，如用户基本信息，web服务器用key去解析token，就获取到请求用户的信息了。
我们也可以配置它以便包含用户拥有的任何权限。这意味着每个服务不需要与授权服务交互才能授权用户。
3.前后端分离。
以前的传统模式下，后台对应的客户端就是浏览器，就可以使用session+cookies的方式实现登录，
但是在前后分离的情况下，后端只负责通过暴露的RestApi提供数据，而页面的渲染、路由都由前端完成。因为rest是无状态的，因此也就不会有session记录到服务器端。
4.兼容性。
支持移动设备，支持跨程序调用，Cookie 是不允许垮域访问的，而 Token 则不存在这个问题。
5.可拓展性。
jwt是无状态的，特别适用于分布式站点的单点登录（SSO）场景。
比如有3台机器（A、B、C）组成服务器集群，若session存在机器A上，session只能保存在其中一台服务器，此时你便不能访问机器B、C，因为B、C上没有存放该Session，
而使用token就能够验证用户请求合法性，并且我再加几台机器也没事，所以可拓展性好。
6.安全性。因为有签名，所以JWT可以防止被篡改。

二、JSON Web Token是什么？

JWT是基于token的身份认证的方案。
json web token全称。可以保证安全传输的前提下传送一些基本的信息，以减轻对外部存储的依赖，减少了分布式组件的依赖，减少了硬件的资源。
可实现无状态、分布式的Web应用授权，jwt的安全特性保证了token的不可伪造和不可篡改。
本质上是一个独立的身份验证令牌，可以包含用户标识、用户角色和权限等信息，以及您可以存储任何其他信息（自包含）。任何人都可以轻松读取和解析，并使用密钥来验证真实性。

缺陷：
1）JWT在生成token的时候支持失效时间，但是支持的失效时间是固定的，比如说一天。
但是用户在等出的时候是随机触发的，那么我们jwt token来做这个失效是不可行的，因为jwt在初始化的时候已经定死在什么时候过期了。
采用其他方案，在redis中存储token，设置token的过期时间，每次鉴权的时候都会去延长时间
2）jwt不适合存放大量信息，信息越多token越长

JWT就是一个字符串，经过加密处理与校验处理的字符串，形式为：
A.B.C
A由JWT头部信息header加密得到
B由JWT用到的身份验证信息json数据加密得到
C由A和B加密得到，是校验部分
分别是头部、载荷、签名。
头部部分header
{
“alg”: “HS256”,
“typ”: “JWT”
}
alg描述的是签名算法。默认值是HS256。
将header用base64加密，得到A。

载荷部分payload
{
“iss”: “发行者”,
“sub”: 主题”,
“aud”: “观众”，
“exp”:”过期时间”,
“iat”:”签发时间”
以下可以添加自定义数据
“id”:”1”,
“nickname”:”昵称”
}
根据JWT claim set[用base64]加密得到的。claim set是一个json数据，是表明用户身份的数据，可自行指定字段很灵活，也有固定字段表示特定含义（但不一定要包含特定字段，只是推荐）。
Base64算法是可逆的，不可以在载荷部分保存用户密码等敏感信息。如果业务需要，也可以采用对称密钥加密。

签名部分signature
HMACSHA256(Base64(Header) + “.” + Base64(Payload), secret)，secret是加密的盐。
签名的目的是用来验证头部和载荷是否被非法篡改。
验签过程描述：获取token值，读取Header部分并Base64解码，得到签名算法。根据以上方法算出签名，如果签名信息不一致，说明是非法的。

三、JSON Web Token工作原理

初次登录：用户初次登录，输入用户名密码
密码验证：服务器从数据库取出用户名和密码进行验证
生成JWT：服务器端验证通过，根据从数据库返回的信息，以及预设规则，生成JWT
返还JWT：服务器的将token放在cookie中将JWT返还
带JWT的请求：以后客户端发起请求，带上cookie中的token信息。

四、jwt+redis的登录方案流程：

前端服务器收到用户登录请求，传给后台API网关。
API网关把请求分发到用户服务里进行身份验证。
后台用户服务验证通过，然后从账号信息抽取出userName、login_time等基本信息组成payload，进而组装一个JWT，把JWT放入redis(因为退出的时候无法使jwt立即作废，所以使用保存在redis中，退出的时候delete掉就可以了，鉴权的时候加一层判断jwt是否在redis里，如果不在则证明jwt已过期作废)，然后包装cookie中返回到前端服务器，这就登录成功了。
前端服务器拿到JWT，进行存储（可以存储在缓存中，也可以存储在数据库中，如果是浏览器，可以存储在 localStorage 中，我实现的是放入到cookie里面）
登录后，再访问其他微服务的时候，前端会携带jwt访问后台，后台校验 JWT，验签通过后，返回相应资源和数据就可以了。

（这里没有将redis画出来）

结合拦截器与上篇session-cookie方式的区别：

首次登录步骤：
1.首先AuthInterceptor拦截器拦截用户请求，在preHandle中看cookie中是否有token信息，没有就接着拦截器AuthActionInterceptor拦截需要登录的url，看threadlocal当中是否有user对象，如果没有就跳转到登录页面进行登录，登录成功后会将user对象放到threadlocal中。（注意这个地方和上篇中提到的登录成功后将user放到session的不同）
登录处理流程：在数据库中查询验证用户名密码，通过就讲账号信息抽取出username、email等信息组成一个payload，进而组装成一个JWT，然后将JWT放到redis当中，设置过期时间。
生成token：
给定签名算法、给定载荷的map、进行签名
2.当业务逻辑处理完之后在AuthInterceptor的postHandle中，从threadlocal获取user对象中的token信息，将token放到cookie中返回给前端。
3.请求结束后在AuthInterceptor的afterCompletion将user从threadlocal中移除。

验证流程：
前端将携带jwt的cookie传到后台，AuthInterceptor会根据token验证解析出user，（注意根之前在session中取对象的不同）验证后再将user放到threadlocal中，AuthActionInterceptor一看threadlocal有user对象，直接通过。后面的步骤一样。
验证token：
1）从token的Header中拿出签名算法，看和之前生成token的签名算法是否一致。
2）验证签名，获取载荷map，从中获取用户标识email，在redis中看是否失效，如果失效，抛出未登录错误；如果未失效，更新redis的失效时间，返回用户的信息。
AuthInterceptor

@Component
public class AuthInterceptor implements HandlerInterceptor {
  
  private static final String TOKEN_COOKIE = "token";
  
  
  @Autowired
  private UserDao userDao;

  
  @Override
  public boolean preHandle(HttpServletRequest req, HttpServletResponse res, Object handler)
          throws Exception {
    Map map = req.getParameterMap();
    map.forEach((k,v) ->req.setAttribute(k, Joiner.on(",").join(v)));
    String requestURI = req.getRequestURI();
    if (requestURI.startsWith("/static") || requestURI.startsWith("/error")) {
      return true;
    }
    Cookie cookie = WebUtils.getCookie(req, TOKEN_COOKIE);
    if (cookie != null && StringUtils.isNoneBlank(cookie.getValue())) {
        User user = userDao.getUserByToken(cookie.getValue());
        if (user != null) {
          req.setAttribute(CommonConstants.LOGIN_USER_ATTRIBUTE, user);
//          req.setAttribute(CommonConstants.USER_ATTRIBUTE, user);
          UserContext.setUser(user);
        }
    }
    return true;
  }
  

  @Override
  public void postHandle(HttpServletRequest req, HttpServletResponse res, Object handler,
          ModelAndView modelAndView) throws Exception {
    String requestURI = req.getRequestURI();
    if (requestURI.startsWith("/static") || requestURI.startsWith("/error")) {
      return ;
    }
    User user = UserContext.getUser();
    if (user != null && StringUtils.isNoneBlank(user.getToken())) {
       String token = requestURI.startsWith("logout")? "" : user.getToken();
       Cookie cookie = new Cookie(TOKEN_COOKIE, token);
       //此处的参数，是相对于应用服务器存放应用的文件夹的根目录而言的(比如tomcat下面的webapp)，因此cookie.setPath("/");
       //之后，可以在webapp文件夹下的所有应用共享cookie，而cookie.setPath("/webapp_b/");
       //是指cas应用设置的cookie只能在webapp_b应用下的获得，即便是产生这个cookie的cas应用也不可以。
       cookie.setPath("/");
       //如果在Cookie中设置了"HttpOnly"为true属性，那么通过JavaScript脚本将无法读取到Cookie信息，这样能有效的防止XSS攻击，让网站应用更加安全。
       //这里可以让js读取，置为false
       cookie.setHttpOnly(false);
       res.addCookie(cookie);
    }
    
  }
  
  

  @Override
  public void afterCompletion(HttpServletRequest req, HttpServletResponse response, Object handler, Exception ex)
          throws Exception {
    UserContext.remove();
  }
}

@Component
public class AuthActionInterceptor implements HandlerInterceptor {
  

  
  @Override
  public boolean preHandle(HttpServletRequest req, HttpServletResponse res, Object handler)
          throws Exception {
    User user = UserContext.getUser();
    if (user == null) {
       String msg =  URLEncoder.encode("请先登录", "utf-8");
       StringBuffer sb = req.getRequestURL();
       String   target = URLEncoder.encode(sb.toString(), "utf-8");
       if ("GET".equalsIgnoreCase(req.getMethod())) {
         res.sendRedirect("/accounts/signin?errorMsg=" + msg + "&target=" + target);
       }else {
         res.sendRedirect("/accounts/signin?errorMsg=" + msg);
       }
       return false;
    }
    return true;
  }

  @Override
  public void postHandle(HttpServletRequest req, HttpServletResponse res, Object handler,
          ModelAndView modelAndView) throws Exception {
     
  }

  @Override
  public void afterCompletion(HttpServletRequest req, HttpServletResponse response, Object handler, Exception ex)
          throws Exception {
  }
}

  /**
   * 校验用户名密码、生成token并返回用户对象
   * @param email
   * @param passwd
   * @return
   */
  public User auth(String email, String passwd) {
    if (StringUtils.isBlank(email) || StringUtils.isBlank(passwd)) {
      throw new UserException(Type.USER_AUTH_FAIL,"User Auth Fail");
    }
    User user = new User();
    user.setEmail(email);
    user.setPasswd(HashUtils.encryPassword(passwd));
    //user.setEnable(1);
    List list =  getUserByQuery(user);
    if (!list.isEmpty()) {
       User retUser = list.get(0);
       onLogin(retUser);
       return retUser;
    }
    throw new UserException(Type.USER_AUTH_FAIL,"User Auth Fail");
  }

  //生成token的操作
  private void onLogin(User user) {
      //最后一个是时间戳
    String token =  JwtHelper.genToken(ImmutableMap.of("email", user.getEmail(), "name", user.getName(),"ts",Instant.now().getEpochSecond()+""));
    renewToken(token,user.getEmail());
    user.setToken(token);
  }

  //重新设置缓存过期时间
  private String renewToken(String token, String email) {
    redisTemplate.opsForValue().set(email, token);
    redisTemplate.expire(email, 30, TimeUnit.MINUTES);
    return token; 
  }

  //验证token获取登录用户
  public User getLoginedUserByToken(String token) {
    Map map = null;
    try {
      map = JwtHelper.verifyToken(token);
    } catch (Exception e) {
      throw new UserException(Type.USER_NOT_LOGIN,"User not login");
    }
    String email =  map.get("email");
    Long expired = redisTemplate.getExpire(email);
    //判断是否失效
    if (expired > 0L) {
      renewToken(token, email);
      User user = getUserByEmail(email);
      user.setToken(token);
      return user;
    }
    throw new UserException(Type.USER_NOT_LOGIN,"user not login");
    
  }

  private User getUserByEmail(String email) {
    User user = new User();
    user.setEmail(email);
    List list = getUserByQuery(user);
    if (!list.isEmpty()) {
      return list.get(0);
    }
    throw new UserException(Type.USER_NOT_FOUND,"User not found for " + email);
  }

  public void invalidate(String token) {
    Map map = JwtHelper.verifyToken(token);
    redisTemplate.delete(map.get("email"));
  }

public class JwtHelper {
  
  private static final String  SECRET = "session_secret";
  
  //发布者 后面一块去校验
  private static final String  ISSUER = "mooc_user";
  
  //生成token的操作
  public static String genToken(Map claims){
    try {
        //签名算法
      Algorithm algorithm = Algorithm.HMAC256(SECRET);
      
      JWTCreator.Builder builder = JWT.create().withIssuer(ISSUER).withExpiresAt(DateUtils.addDays(new Date(), 1));
      //相当于将claims存储在token中
      claims.forEach((k,v) -> builder.withClaim(k, v));
      return builder.sign(algorithm).toString();
    } catch (IllegalArgumentException | UnsupportedEncodingException e) {
      throw new RuntimeException(e);
    }
  }
  //验证token
  public static Map verifyToken(String token)  {
    Algorithm algorithm = null;
    try {
      algorithm = Algorithm.HMAC256(SECRET);
    } catch (IllegalArgumentException | UnsupportedEncodingException e) {
      throw new RuntimeException(e);
    }
    JWTVerifier verifier = JWT.require(algorithm).withIssuer(ISSUER).build();
    DecodedJWT jwt =  verifier.verify(token);
    Map map = jwt.getClaims();
    Map resultMap = Maps.newHashMap();
    map.forEach((k,v) -> resultMap.put(k, v.asString()));
    return resultMap;
  }

}