JWT详解

一、传统的Session认证

1、传统Session认证的弊端

我们知道HTTP本身是一种无状态的协议，这就意味着如果用户向我们的应用提供了用户名和密码来进行用户认证，认证通过后HTTP协议不会记录下认证后的状态，那么下一次请求时，用户还要再一次进行认证，因为根据HTTP协议，我们并不知道是哪个用户发出的请求，所以为了让我们的应用能识别是哪个用户发出的请求，我们只能在用户首次登录成功后，在服务器存储一份用户登录的信息，这份登录信息会在响应时传递给浏览器，告诉其保存为cookie，以便下次请求时发送给我们的应用，这样我们的应用就能识别请求来自哪个用户了，这就是传统的基于session认证的过程。

2、传统Session认证的问题

• 每个用户的登录信息都会保存到服务器的session中，随着用户的增多，服务器开销会明显增大
• 由于session是存在与服务器的物理内存中，所以在分布式系统中，这种方式将会失效。虽然可以将session统一保存到Redis中，但是这样做无疑增加了系统的复杂性，对于不需要redis的应用也会白白多引入一个缓存中间件
• 对于非浏览器的客户端、手机移动端等不适用，因为session依赖于cookie，而移动端经常没有cookie
• 因为session认证本质基于cookie，所以如果cookie被截获，用户很容易收到跨站请求伪造攻击。并且如果浏览器禁用了cookie，这种方式也会失效
• 前后端分离系统中更加不适用，后端部署复杂，前端发送的请求往往经过多个中间件到达后端，cookie中关于session的信息会转发多次
• 由于基于Cookie，而cookie无法跨域，所以session的认证也无法跨域，对单点登录不适用

二、基于token认证

1、基于token进行用户身份验证的流程：

1. 客户端使用用户名和密码请求登录。
2. 服务端收到请求，验证用户名和密码。
3. 验证成功后，服务端会签发一个token，再把这个token返回客户端。
4. 客户端收到token后可以把它存储起来，比如放到cookie中。
5. 客户端每次向服务器请求资源时需要携带服务端签发的token，可以在cookie或者header中携带。
6. 服务端收到请求，然后去验证客户端请求里面带着的token，如果验证成功，就向客户端返回请求数据。

2、基于token认证方式的好处

• 支持跨域访问：cookie是无法跨域的，而token由于没有用到cookie(前提是将token放到请求头中)，所以跨域后不会存在信息丢失问题
• 无状态：token机制在服务端不需要存储session信息，因为token自身包含了所有登录用户的信息，所以可以减轻服务端压力
• 更适用CDN：可以通过内容分发网络请求服务端的所有资料
• 更适用于移动端：当客户端是非浏览器平台时，cookie是不被支持的，此时采用token认证方式会简单很多
• 无需考虑CSRF：由于不再依赖cookie，所以采用token认证方式不会发生CSRF，所以也就无需考虑CSRF的防御

三、JWT介绍

JWT就是上述token的一种具体实现方式，其全称是JSON Web Token。通俗地说，JWT的本质就是一个字符串，它是将用户信息保存到一个JSON字符串中，然后进行编码后得到一个JWT Token，并且这个JWT Token带有签名信息，接收后可以校验是否被篡改，所以可以用于在各方之间安全地将信息作为Json对象传输。

 四、JWT结构

JWT由3部分组成：标头（Header）、有效载荷（Payload）和签名（Signature）。在传输的时候，会将JWT的3部分分别进行Base64编码后用 . 进行连接形成最终传输的字符串。

 1.Header

 JWT头是一个描述JWT元数据的JSON对象，alg属性表示签名使用的算法，默认为HMAC SHA256（写为HS256）；typ属性表示令牌的类型，JWT令牌统一写为JWT。最后，使用Base64 URL算法将上述JSON对象转换为字符串保存

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

2.Payload

有效载荷部分，是JWT的主体内容部分，也是一个JSON对象，包含需要传递的数据。JWT指定七个默认字段供选择。

iss：发行人
exp：到期时间
sub：主题
aud：用户
nbf：在此之前不可用
iat：发布时间
jti：JWT ID用于标识该JWT

这些预定义的字段并不要求强制使用。除以上默认字段外，我们还可以自定义私有字段，一般会把包含用户信息的数据放到payload中。

请注意，默认情况下JWT是未加密的，因为只是采用base64算法，拿到JWT字符串后可以转换回原来的JSON数据，任何人都可以解读其内容，因为不要构建隐私信息字段，比如用户的密码一定不能保存到JWT中，以防止信息泄露。JWT只是适合在网络中传输一些非敏感的信息。

3.Signature

 签名哈希部分是对上面两部分数据签名，需要使用base64编码后的header和payload数据，通过指定的算法生成哈希，以确保数据不会被篡改。首先，需要指定一个密钥（secret）。该密码仅仅为保存在服务器中，并且不能向用户公开。然后，使用header中指定的签名算法（默认情况下为HMAC SHA256）根据以下公式生成签名

HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  your-256-bit-secret
)

在计算出签名哈希后，JWT头，有效载荷和签名哈希的三个部分组合成一个字符串，每个部分用.分隔，就构成整个JWT对象。

注意JWT每部分的作用，在服务器接收到客户端发送过来的JWT token之后：

• header和payload可以直接利用base64解码出原文，从header中获取哈希签名的算法，从payload中获取有效数据
• signature由于使用了不可逆的加密算法，无法解码出原文，它的作用是校验token有没有被篡改。服务端获取header中的加密算法之后，利用该算法加上secretKey对header、payload进行加密，比对加密后的数据和客户端发送过来的是否一致。注意secretKey只能保存在服务端，而且对于不同的加密算法其含义有所不同，一般对于MD5类型的摘要加密算法，secretKey实际上代表的是盐值。

 五、JWT认证流程

1. 首先，前端通过Web表单将自己的用户名和密码发送到后端的接口，这个过程一般是一个POST请求。
2. 后端核对用户名和密码成功后，将包含用户信息的数据作为JWT的Payload，将其与JWT Header分别进行Base64编码拼接后签名，形成一个JWT Token，形成的JWT Token就是一个如同lll.zzz.xxx的字符串
3. 后端将JWT Token字符串作为登录成功的结果返回给前端。前端可以将返回的结果保存在浏览器中，退出登录时删除保存的JWT Token即可。
4. 前端在每次请求时将JWT Token放入HTTP请求头中的Authorization属性中。
5. 后端检查前端传过来的JWT Token，验证其有效性，比如检查签名是否正确、是否过期、Token的接收方是否是自己等等。
6. 验证通过后，后端解析出JWT Token中包含的用户信息，进行其他逻辑操作（一般是根据用户信息得到权限等），返回结果。