什么是 JWT? 如何基于 JWT 进行身份验证？
什么是 JWT?
JWT （JSON Web Token） 是目前最流行的跨域认证解决方案，是一种基于 Token 的认证授权机制。从 JWT 的全称可以看出，JWT 本身也是 Token，一种规范化之后的 JSON 结构的 Token。
Token 自身包含了身份验证所需要的所有信息，因此，我们的服务器不需要存储 Session 信息。这显然增加了系统的可用性和伸缩性，大大减轻了服务端的压力。
可以看出，JWT 更符合设计 RESTful API 时的「Stateless（无状态）」原则 。
并且， 使用 Token 认证可以有效避免 CSRF 攻击，因为 Token 一般是存在在 localStorage 中，使用 JWT 进行身份验证的过程中是不会涉及到 Cookie 的。
我在 JWT 优缺点分析[1]这篇文章中有详细介绍到使用 JWT 做身份认证的优势和劣势。
下面是 RFC 7519[2] 对 JWT 做的较为正式的定义。
JSON Web Token (JWT) is a compact, URL-safe means of representing claims to be transferred between two parties. The claims in a JWT are encoded as a JSON object that is used as the payload of a JSON Web Signature (JWS) structure or as the plaintext of a JSON Web Encryption (JWE) structure, enabling the claims to be digitally signed or integrity protected with a Message Authentication Code (MAC) and/or encrypted. ——JSON Web Token (JWT)[3]
JWT 由哪些部分组成？
JWT 本质上就是一组字串，通过（.）切分成三个为 Base64 编码的部分：
- Header : 描述 JWT 的元数据，定义了生成签名的算法以及 Token 的类型。
- Payload : 用来存放实际需要传递的数据
- Signature（签名） ：服务器通过 Payload、Header 和一个密钥(Secret)使用 Header 里面指定的签名算法（默认是 HMAC SHA256）生成。
JWT 通常是这样的：xxxxx.yyyyy.zzzzz。
示例：
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.
eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.
SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c
你可以在 jwt.io[4] 这个网站上对其 JWT 进行解码，解码之后得到的就是 Header、Payload、Signature 这三部分。
Header 和 Payload 都是 JSON 格式的数据，Signature 由 Payload、Header 和 Secret(密钥)通过特定的计算公式和加密算法得到。
Header
Header 通常由两部分组成：
- typ（Type）：令牌类型，也就是 JWT。
- alg（Algorithm） ：签名算法，比如 HS256。
示例：
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}
JSON 形式的 Header 被转换成 Base64 编码，成为 JWT 的第一部分。
Payload
Payload 也是 JSON 格式数据，其中包含了 Claims(声明，包含 JWT 的相关信息)。
Claims 分为三种类型：
- Registered Claims（注册声明） ：预定义的一些声明，建议使用，但不是强制性的。
- Public Claims（公有声明） ：JWT 签发方可以自定义的声明，但是为了避免冲突，应该在 IANA JSON Web Token Registry[5] 中定义它们。
- Private Claims（私有声明） ：JWT 签发方因为项目需要而自定义的声明，更符合实际项目场景使用。
下面是一些常见的注册声明：
- iss（issuer）：JWT 签发方。
- iat（issued at time）：JWT 签发时间。
- sub（subject）：JWT 主题。
- aud（audience）：JWT 接收方。
- exp（expiration time）：JWT 的过期时间。
- nbf（not before time）：JWT 生效时间，早于该定义的时间的 JWT 不能被接受处理。
- jti（JWT ID）：JWT 唯一标识。
示例：
{
"uid": "ff1212f5-d8d1-4496-bf41-d2dda73de19a",
"sub": "1234567890",
"name": "John Doe",
"exp": 15323232,
"iat": 1516239022,
"scope": ["admin", "user"]
}
Payload 部分默认是不加密的，一定不要将隐私信息存放在 Payload 当中！！！
JSON 形式的 Payload 被转换成 Base64 编码，成为 JWT 的第二部分。
Signature
Signature 部分是对前两部分的签名，作用是防止 Token（主要是 payload） 被篡改。
这个签名的生成需要用到：
- Header + Payload。
- 存放在服务端的密钥(一定不要泄露出去)。
- 签名算法。
签名的计算公式如下：
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，成为 JWT 的第三部分。
如何基于 JWT 进行身份验证？
在基于 Token 进行身份验证的的应用程序中，服务器通过 Payload、Header 和Secret(密钥)创建Token（令牌）并将 Token 发送给客户端。客户端接收到 Token 之后，会将其保存在 Cookie 或者 localStorage 里面，以后客户端发出的所有请求都会携带这个令牌。
简化后的步骤如下：
- 用户向服务器发送用户名、密码以及验证码用于登陆系统。
- 如果用户用户名、密码以及验证码校验正确的话，服务端会返回已经签名的 Token。
- 用户以后每次向后端发请求都在 Header 中带上这个 Token。
- 服务端检查 Token 并从中获取用户相关信息。
两点建议：
- 建议将 Token 存放在 localStorage 中，放在 Cookie 中会有 CSRF 风险。
- 请求服务端并携带 Token 的常见做法是将 Token 放在 HTTP Header 的 Authorization 字段中（Authorization: Bearer Token）。
spring-security-jwt-guide[6] 就是一个基于 JWT 来做身份认证的简单案例，感兴趣的可以看看。
JWT 如何防止 Token 被篡改？
有了签名之后，即使 Token 被泄露或者解惑，黑客也没办法同时篡改 Signature 、Header 、Payload。
这是为什么呢？因为服务端拿到 Token 之后，会解析出其中包含的 Header、Payload 以及 Signature 。服务端会根据 Header、Payload、密钥再次生成一个 Signature。拿新生成的 Signature 和 Token 中的 Signature 作对比，如果一样就说明 Header 和 Payload 没有被修改。
不过，如果服务端的秘钥也被泄露的话，黑客就可以同时篡改 Signature 、Header 、Payload 了。黑客直接修改了 Header 和 Payload 之后，再重新生成一个 Signature 就可以了。
密钥一定保管好，一定不要泄露出去。JWT 安全的核心在于签名，签名安全的核心在密钥。
如何加强 JWT 的安全性？
- 使用安全系数高的加密算法。
- 使用成熟的开源库，没必要造轮子。
- Token 存放在 localStorage 中而不是 Cookie 中，避免 CSRF 风险。
- 一定不要将隐私信息存放在 Payload 当中。
- 密钥一定保管好，一定不要泄露出去。JWT 安全的核心在于签名，签名安全的核心在密钥。
- Payload 要加入 exp （JWT 的过期时间），永久有效的 JWT 不合理。并且，JWT 的过期时间不易过长。
- ......
参考资料
[1]
JWT 优缺点分析: ./advantages&disadvantages-of-jwt.md
[2]
RFC 7519: https://tools.ietf.org/html/rfc7519
[3]
JSON Web Token (JWT): https://tools.ietf.org/html/rfc7519
[4]
jwt.io: https://jwt.io/
[5]
IANA JSON Web Token Registry: https://www.iana.org/assignments/jwt/jwt.xhtml
[6]
spring-security-jwt-guide: https://github.com/Snailclimb/spring-security-jwt-guide