JWT介绍及使用

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前言

本文将介绍一下JWT,希望看完对你有所帮助

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一、JTW是什么？

JWT全称是Json Web Token， 是JSON风格轻量级的授权和身份认证规范，可实现无状态、分布式的Web应用授权；
官网：https://jwt.io

JWT包含三部分数据：

• Header：头部，通常头部有两部分信息：

  • 声明类型，这里是JWT 自描述信息

  我们会对头部进行base64编码，得到第一部分数据 base64编码和解码的

• Payload：载荷，就是有效数据，一般包含下面信息：

  • 用户身份信息（注意，这里因为采用base64编码，可解码 是可逆的，因此不要存放敏感信息）
  • 注册声明：如token的签发时间，过期时间，签发人等 这部分内容 好比身份证的信息

  这部分也会采用base64编码，得到第二部分数据

• Signature：签名，是整个数据的认证信息。一般根据前两步的数据，再加上服务的密钥（secret）（不要泄漏，最好周期性更换），通过加密算法（不可逆的）生成一个签名。用于验证整个数据完整和可靠性。

生成的数据格式：

二、JWT 实现无状态 Web 服务

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1、什么是有状态

有状态服务，即服务端需要记录每次会话的客户端信息，从而识别客户端身份，根据用户身份进行请求的处理，典型的设计如tomcat中的session。

例如登录：用户登录后，我们把登录者的信息保存在服务端session中，并且给用户一个cookie值，记录对应的session。然后下次请求，用户携带cookie值来，我们就能识别到对应session，从而找到用户的信息。

缺点是什么？

• 服务端保存大量数据，增加服务端压力
• 服务端保存用户状态，无法进行水平扩展
• 客户端请求依赖服务端，多次请求必须访问同一台服务器

2、什么是无状态

服务器不需要记录客户端的状态信息，即：

• 服务端不保存任何客户端请求者信息
• 客户端的每次请求必须具备自描述信息，通过这些信息识别客户端身份

带来的好处是什么呢？

• 客户端请求不依赖服务端的信息，任何多次请求不需要必须访问到同一台服务
• 服务端的集群和状态对客户端透明
• 服务端可以任意的迁移和伸缩
• 减小服务端存储压力

3、如何实现无状态

无状态登录的流程：

• 当客户端第一次请求服务时，服务端对用户进行信息认证（登录）
• 认证通过，将用户信息进行加密形成token，返回给客户端，作为登录凭证
• 以后每次请求，客户端都携带认证的token
• 服务的对token进行解密，判断是否有效。

流程图：

​ 客户端请求登录，登录之后颁发凭证

整个登录过程中，最关键的点是什么？

token的安全性

token是识别客户端身份的唯一标示，如果加密不够严密，被人伪造那就完蛋了。

采用何种方式加密才是安全可靠的呢？

我们将采用：JWT + RSA非对称加密

4、JWT交互流程

流程图：

步骤翻译：

• 1、用户登录
• 2、服务的认证，通过后根据secret生成token
• 3、将生成的token返回给浏览器
• 4、用户每次请求携带token
• 5、服务端利用公钥解读jwt签名，判断签名有效后，从Payload中获取用户信息
• 6、处理请求，返回响应结果

因为JWT签发的token中已经包含了用户的身份信息，并且每次请求都会携带，这样服务的就无需保存用户信息，甚至无需去数据库查询，完全符合了Rest的无状态规范。

5、非对称加密

加密技术是对信息进行编码和解码的技术，编码是把原来可读信息（又称明文）译成代码形式（又称密文），其逆过程就是解码（解密），加密技术的要点是加密算法，加密算法可以分为三类：

• 对称加密，如AES
  • 基本原理：将明文分成N个组，然后使用密钥对各个组进行加密，形成各自的密文，最后把所有的分组密文进行合并，形成最终的密文。
  • 优势：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高
  • 缺陷：双方都使用同样密钥，安全性得不到保证
• 非对称加密，如RSA
  • 基本原理：同时生成两把密钥：私钥和公钥，私钥隐秘保存，公钥可以下发给信任客户端
    • 私钥加密，持有私钥或公钥才可以解密
    • 公钥加密，持有私钥才可解密
  • 优点：安全，难以破解
  • 缺点：算法比较耗时
• 不可逆加密，如MD5，SHA
  • 基本原理：加密过程中不需要使用密钥，输入明文后由系统直接经过加密算法处理成密文，这种加密后的数据是无法被解密的，无法根据密文推算出明文。

RSA算法历史：

1977年，三位数学家Rivest、Shamir 和 Adleman 设计了一种算法，可以实现非对称加密。这种算法用他们三个人的名字缩写：RSA

目前流行的还有oauth2

三、nimbus-jose-jwt 库

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nimbus-jose-jwt、jose4j、java-jwt 和 jjwt 是几个 Java 中常见的操作 JWT 的库。就使用细节而言，nimbus-jos-jwt（和jose4j）要好于 java-jwt 和 jjwt 。
nimbus-jose-jwt 官网：https://connect2id.com/products/nimbus-jose-jwt
所需坐标

 <dependency>
        <groupId>com.nimbusdsgroupId>
        <artifactId>nimbus-jose-jwtartifactId>
        <version>9.11.1version>
    dependency>

1、 JWT 和 JWS

这里我们需要了解下 JWT、JWS、JWE 三者之间的关系：

• JWT（JSON Web Token）指的是一种规范，这种规范允许我们使用 JWT 在两个组织之间传递安全可靠的信息。
• JWS（JSON Web Signature）和 JWE（JSON Web Encryption）是 JWT 规范的两种不同实现，我们平时最常使用的实现就是 JWS 。

简单来说，JWT 和 JWS、JWE 类似于接口与实现类。由于，我们使用的是 JWS ，所以，后续内容中，就直接列举 JWS 相关类，不再细分 JWS 和 JWE 了，numbus-jose-jwt 中的 JWE 相关类和接口我们也不会使用到

2、加密算法

• 对称加密』指的是使用相同的秘钥来进行加密和解密，如果你的秘钥不想暴露给解密方，考虑使用非对称加密。在加密方和解密方是同一个人（或利益关系紧密）的情况下可以使用它。
• 『非对称加密』指的是使用公钥和私钥来进行加密解密操作。对于加密操作，公钥负责加密，私钥负责解密，对于签名操作，私钥负责签名，公钥负责验证。非对称加密在 JWT 中的使用显然属于签名操作。在加密方和解密方是不同人（或不同利益方）的情况下可以使用它。

nimbus-jose-jwt 支持的算法都在它的 JWSAlgorithm 和 JWEAlgorithm 类中有定义。

例如：JWSAlgorithm algorithm = JWSAlgorithm.HS256

3、核心 API

a、加密过程

• 在 nimbus-jose-jwt 中，使用 Header 类代表 JWT 的头部，不过，Header 类是一个抽象类，我们使用的是它的子类 JWSHeader 。

  创建头部对象：

@Test
 public void createToken(){
     //创建头部对象
     JWSHeader jwsHeader =
             new JWSHeader.Builder(JWSAlgorithm.HS256)       // 加密算法
                     .type(JOSEObjectType.JWT) // 静态常量
                     .build();
     System.out.println(jwsHeader);
 }

• 你可以通过 .toBase64URL() 方法求得头部信息的 Base64 形式（这也是 JWT 中的实际头部信息）：

• 使用 Payload 类的代表 JWT 的荷载部分

  创建荷载部对象:

  @Test
    public void createToken(){
        //创建头部对象
        JWSHeader jwsHeader =
                new JWSHeader.Builder(JWSAlgorithm.HS256)       // 加密算法
                        .type(JOSEObjectType.JWT) // 静态常量
                        .build();
        System.out.println(jwsHeader);
  
        //创建载荷
        Payload payload = new Payload("hello world");
        System.out.println(payload);
    }
  

• 你可以通过 .toBase64URL() 方法求得荷载部信息的 Base64 形式（这也是 JWT 中的实际荷载部信息）：

• 签名部分

  ​ 签名部分没有专门的类表示，只有通用类 Base64URL ，而且签名部分并非你自己创建出来的，而是靠 头部 + 荷载部 + 加密算法 算出来的。在 nimbus-jose-jwt 中，签名算法由 JWSAlgorithm 表示。

  注意：在创建 JWSHeader 对象时就需要指定签名算法，因为在标准中，头部需要保存签名算法名字。

  ​ 用头部和荷载部分，再加上指定的签名算法和密钥来生成签名部分的过程，在 nimbus-jose-jwt 中被称为『签名（sign）』。nimbus-jose-jwt 专门提供了一个签名器 JWSSigner ，用来参与到签名过程中。密钥就是在创建签名器的时候指定的：

  JWSSigner jwsSigner = new MACSigner("密钥");  //MACSigner()中要指定一个密钥
  

  最终，整个 JWT 由一个 JWSObject 对象表示：

JWSObject jwsObject = new JWSObject(jwsHeader, payload);
// 进行签名（根据前两部分生成第三部分）
jwsObject.sign(jwsSigner);

在 nimbus-jose-jwt 中 JWSObject 是有状态的：未签名、已签名和签名中。很显然，在执行完 .sign() 方法之后，JWSObject 对象就变成了已签名状态。
当然，我们最终『要』的是 JWT 字符串，而不是对象，这里接着对代表 JWT 的 JWSObject 对象调用 .serialize() 方法即可：

String token = jwsObject.serialize();

完整示例：

  @Test
    public void createToken() throws JOSEException {

        //创建头部对象
        JWSHeader jwsHeader =
                new JWSHeader.Builder(JWSAlgorithm.HS256)       // 加密算法
                        .type(JOSEObjectType.JWT) // 静态常量
                        .build();
        //创建载荷
        Payload payload = new Payload("hello world");

        //创建签名器
        JWSSigner jwsSigner = new MACSigner("woniu");//woniu为密钥

        //创建签名
        JWSObject jwsObject = new JWSObject(jwsHeader, payload);// 头部+载荷
        jwsObject.sign(jwsSigner);//再+签名部分

        //生成token字符串
        String token = jwsObject.serialize();
        System.out.println(token);
    }

如果出现:com.nimbusds.jose.KeyLengthException: The secret length must be at least 256 bits异常，是因为密钥的长度不够增加密钥长度即可

//创建签名器
JWSSigner jwsSigner = new MACSigner("woniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniu");

生成的token如下:
eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.aGVsbG8gd29ybGQ.p1E7jMNXs4zzCHDDbFzQXOko6s9NtT7Sqt15-T-7KVY

b、获得token中的内容

/**
     * 取出token中的内容
     */
    @Test
    public void getToken() throws IOException {
        //获得token头部内容
        String jwsHeader="eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9";
        //反编码
        BASE64Decoder decoder=new BASE64Decoder();
        byte[] txtByte= jwsHeader.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        System.out.println(new String(decoder.decodeBuffer(jwsHeader),"UTF-8"));

        //获得token载荷中的内容
        String payload="aGVsbG8gd29ybGQ";
        System.out.println(new String(decoder.decodeBuffer(payload),"UTF-8"));
    }

c、 解密

反向的解密和验证过程核心 API 就 2 个：JWSObject 的静态方法 parse 方法和验证其 JWSVerifier 对象。

JWSObject.parse() 方法是上面的 serialize 方法的反向操作，它可以通过一个 JWT 串生成 JWSObject 。有了 JWObject 之后，你就可以获得 header 和 payload 部分了。

如果你想直接验证 JWSObject 对象的合法性，你需要创建一个 JWSVerifier 对象。

//创建验证器
JWSVerifier jwsVerifier = new MACVerifier("密钥");//密钥要和加密时的相同

然后直接调用 jwsObject 对象的 verify 方法：

if (!jwsObject.verify(jwsVerifier)) {
    throw new RuntimeException("token 签名不合法！");
}

案例二：验证token是否合法

 /**
     * 验证token
     */
    @Test
    public void validationToken() throws Exception {
        //获得token
        String token="eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.aGVsbG8gd29ybGQ.p1E7jMNXs4zzCHDDbFzQXOko6s9NtT7Sqt15-T-7KVYA";
        //创建验证器
        JWSVerifier jwsVerifier = new MACVerifier("woniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniuwoniu");

        //获得签名对象
        JWSObject jwsObject=JWSObject.parse(token);
        //使用jws较验器，验证用户传递token是否合法
        if (!jwsObject.verify(jwsVerifier)) {
            throw new RuntimeException("token 签名不合法！");
        }
    }

4、创建jwt工具类

/**
 * jwt工具类
 */
@Component
public class JwtUtils {
    //使用uuid生成密钥
    private  final String secret= UUID.randomUUID().toString();
    //用户数据的key
    private  final String usernameKey="usernameKey";

    /**
     * 生成token
     * @param username 用户名
     * @return
     */
    public  String createJwtToken(String username) throws Exception {
        //创建头部对象
        JWSHeader jwsHeader =
                new JWSHeader.Builder(JWSAlgorithm.HS256)       // 加密算法
                        .type(JOSEObjectType.JWT) // 静态常量
                        .build();

        //创建载荷
        Map<String,Object> map=new HashMap<String,Object>();
        map.put(usernameKey, username);
        Payload payload= new Payload(map);

        //创建签名器
        JWSSigner jwsSigner = new MACSigner(secret);//密钥

        //创建签名
        JWSObject jwsObject = new JWSObject(jwsHeader, payload);// 头部+载荷
        jwsObject.sign(jwsSigner);//再+签名部分

        //生成token字符串
        return jwsObject.serialize();
    }

    /**
     * 验证jwt token是否合法
     * @param jwtStr
     * @return
     */
    @SneakyThrows
    public  boolean verify(String jwtStr) {
        JWSObject jwsObject=JWSObject.parse(jwtStr);
        JWSVerifier jwsVerifier=new MACVerifier(secret);
        return jwsObject.verify(jwsVerifier);
    }

    /**
     * 从token中解析出用户名
     * @param jwtStr
     * @return
     */
    @SneakyThrows
    public  String getUserNameFormJwt(String jwtStr){
        JWSObject jwsObject=JWSObject.parse(jwtStr);
        Map<String,Object> map=jwsObject.getPayload().toJSONObject();
        return (String) map.get(usernameKey);
    }
}