系统安全-JWT(JSON Web Tokens)

系统开发来讲，安全验证永远是最重要的，从最原始的session、cookie验证方式，到符合restful风格、满足前后端分离需求、启用https请求，各方面都在不断变化中。

概念

JWT是一种用于双方之间传递安全信息的简洁的、URL安全的表述性声明规范。JWT作为一个开放的标准（ RFC 7519 ），定义了一种简洁的，自包含的方法用于通信双方之间以Json对象的形式安全的传递信息。因为数字签名的存在，这些信息是可信的，JWT可以使用HMAC算法或者是RSA的公私秘钥对进行签名。

简洁(Compact): 可以通过URL，POST参数或者在HTTP header发送，因为数据量小，传输速度也很快
自包含(Self-contained)：负载中包含了所有用户所需要的信息，避免了多次查询数据库

JWT的主要应用场景

身份认证

在这种场景下，一旦用户完成了登陆，在接下来的每个请求中包含JWT，可以用来验证用户身份以及对路由，服务和资源的访问权限进行验证。由于它的开销非常小，可以轻松的在不同域名的系统中传递，所有目前在单点登录（SSO）中比较广泛的使用了该技术。

信息交换

在通信的双方之间使用JWT对数据进行编码是一种非常安全的方式，由于它的信息是经过签名的，可以确保发送者发送的信息是没有经过伪造的。

JWT的结构

加密后jwt信息如下所示，是由.分割的三部分组成，分别为Header、Payload、Signature。

其结构看起来是这样的

xxxxx.yyyyy.zzzzz

Header

Header包含两部分信息，alg指加密类型，可选值为HS256、RSA等等，typ=JWT为固定值，表示token的类型。

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

Payload

Payload是指签名信息以及内容，一般包括iss (发行者), exp (过期时间), sub(用户信息), aud (接收者),以及其他信息，详细介绍请参考官网。

{
    "sub": "1234567890",
    "name": "John Doe",
    "admin": true
}

Signature

Signature则为对Header、Payload的签名。

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

如何使用JWT？

在身份鉴定的实现中，传统方法是在服务端存储一个session，给客户端返回一个cookie，而使用JWT之后，当用户使用它的认证信息登陆系统之后，会返回给用户一个JWT，用户只需要本地保存该token（通常使用local storage，也可以使用cookie）即可。

当用户希望访问一个受保护的路由或者资源的时候，通常应该在 Authorization 头部使用 Bearer 模式添加JWT，其内容看起来是下面这样：

Authorization: Bearer

因为用户的状态在服务端的内存中是不存储的，所以这是一种无状态的认证机制。服务端的保护路由将会检查请求头 Authorization 中的JWT信息，如果合法，则允许用户的行为。由于JWT是自包含的，因此减少了需要查询数据库的需要。

JWT的这些特性使得我们可以完全依赖其无状态的特性提供数据API服务，甚至是创建一个下载流服务。因为JWT并不使用Cookie的，所以你可以使用任何域名提供你的API服务而不需要担心跨域资源共享问题（CORS）。

image.png

在jwt官网，可以看到有不同语言的实现版本，这里使用的是java版的jjwt。话不多说，直接看代码，加解密都很简单：

/**
  * 创建 jwt
  * @param id
  * @param subject
  * @param ttlMillis
  * @return
  * @throws Exception
  */
  public String createJWT(String id, String subject, long ttlMillis) throws Exception {
       SignatureAlgorithm signatureAlgorithm = SignatureAlgorithm.HS256 ;
       long nowMillis = System. currentTimeMillis();
       Date now = new Date( nowMillis);
       SecretKey key = generalKey();
       JwtBuilder builder = Jwts. builder()
            .setId(id)
            .setIssuedAt(now)
            .setSubject(subject)
           .signWith(signatureAlgorithm, key);
       if (ttlMillis >= 0){
           long expMillis = nowMillis + ttlMillis;
           Date exp = new Date( expMillis);
           builder.setExpiration( exp);
       }
       return builder.compact();
 }


  /**
  * 解密 jwt
  * @param jwt
  * @return
  * @throws Exception
  */
  public Claims parseJWT(String jwt) throws Exception{
       SecretKey key = generalKey();
       Claims claims = Jwts. parser()
          .setSigningKey( key)
          .parseClaimsJws( jwt).getBody();
       return claims;
 }

加解密的key是通过固定字符串转换而生成的；subject为用户信息的json字符串；ttlMillis是指token的有效期，时间较短，需要定时更新。

这里要介绍的token刷新方式，是在生成token的同时生成一个有效期较长的refreshToken，后续由客户端定时根据refreshToken来获取最新的token。浏览器与服务端之间建立sse(server send event)请求，来实现刷新。

参考资料：

1.jwt官方网站：https://jwt.io/
2.jjwt项目：https://github.com/jwtk/jjwt
3.Introduction to JSON Web Tokens：https://jwt.io/introduction/
4.How to Create and verify JWTs in Java： https://stormpath.com/blog/jwt-java-create-verify

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个人介绍：

高广超 ：多年一线互联网研发与架构设计经验，擅长设计与落地高可用、高性能互联网架构。目前就职于美团网，负责核心业务研发工作。

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