JWT原理详解
JWT原理详解
随着前后端分离的发展，以及数据中心的建立，越来越多的公司会创建一个中心服务器，服务于各种产品线。
而这些产品线上的产品，它们可能有着各种终端设备，包括但不仅限于浏览器、桌面应用、移动端应用、平板应用、甚至智能家居
实际上，不同的产品线通常有自己的服务器，产品内部的数据一般和自己的服务器交互。
但中心服务器仍然有必要存在，因为同一家公司的产品总是会存在共享的数据，比如用户数据
这些设备与中心服务器之间会进行http通信
一般来说，中心服务器至少承担着认证和授权的功能，例如登录：各种设备发送消息到中心服务器，然后中心服务器响应一个身份令牌（参见cookie原理详解）
当这种结构出现后，就出现一个问题：它们之间还能使用传统的cookie方式传递令牌信息吗？
其实，也是可以的，因为cookie在传输中无非是一个消息头而已，只不过浏览器对这个消息头有特殊处理罢了。
但浏览器之外的设备肯定不喜欢cookie，因为浏览器有着对cookie完善的管理机制，但是在其他设备上，就需要开发者自己手动处理了
jwt的出现就是为了解决这个问题
概述
jwt全称Json Web Token，强行翻译过来就是json格式的互联网令牌（算了，还是不要强行翻译了）
它要解决的问题，就是为多种终端设备，提供统一的、安全的令牌格式
因此，jwt只是一个令牌格式而已，你可以把它存储到cookie，也可以存储到localstorage，没有任何限制！
同样的，对于传输，你可以使用任何传输方式来传输jwt，一般来说，我们会使用消息头来传输它
比如，当登录成功后，服务器可以给客户端响应一个jwt：
HTTP/1.1 200 OK
...
set-cookie:token=jwt令牌
authorization:jwt令牌
...
{..., token:jwt令牌}
可以看到，jwt令牌可以出现在响应的任何一个地方，客户端和服务器自行约定即可。
当然，它也可以出现在响应的多个地方，比如为了充分利用浏览器的cookie，同时为了照顾其他设备，也可以让jwt出现在
set-cookie和authorization或body中，尽管这会增加额外的传输量。
当客户端拿到令牌后，它要做的只有一件事：存储它。
你可以存储到任何位置，比如手机文件、PC文件、localstorage、cookie
当后续请求发生时，你只需要将它作为请求的一部分发送到服务器即可。
虽然jwt没有明确要求应该如何附带到请求中，但通常我们会使用如下的格式：
GET /api/resources HTTP/1.1
...
authorization: bearer jwt令牌
...
这种格式是OAuth2附带token的一种规范格式
至于什么是OAuth2，那是另一个话题了
这样一来，服务器就能够收到这个令牌了，通过对令牌的验证，即可知道该令牌是否有效。
它们的完整交互流程是非常简单清晰的
令牌的组成
为了保证令牌的安全性，jwt令牌由三个部分组成，分别是：
- header：令牌头部，记录了整个令牌的类型和签名算法
- payload：令牌负荷，记录了保存的主体信息，比如你要保存的用户信息就可以放到这里
- signature：令牌签名，按照头部固定的签名算法对整个令牌进行签名，该签名的作用是：保证令牌不被伪造和篡改
它们组合而成的完整格式是：header.payload.signature
比如，一个完整的jwt令牌如下：
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9.BCwUy3jnUQ_E6TqCayc7rCHkx-vxxdagUwPOWqwYCFc
它各个部分的值分别是：
header：eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9payload：eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9signature: BCwUy3jnUQ_E6TqCayc7rCHkx-vxxdagUwPOWqwYCFc
下面分别对每个部分进行说明
header
它是令牌头部，记录了整个令牌的类型和签名算法
它的格式是一个json对象，如下：
{
"alg":"HS256",
"typ":"JWT"
}
该对象记录了：
- alg：signature部分使用的签名算法，通常可以取两个值
- HS256：一种对称加密算法，使用同一个秘钥对signature加密解密
- RS256：一种非对称加密算法，使用私钥加密，公钥解密
- typ：整个令牌的类型，固定写
JWT即可
设置好了header之后，就可以生成header部分了
具体的生成方式及其简单，就是把header部分使用base64 url编码即可
base64 url不是一个加密算法，而是一种编码方式，它是在base64算法的基础上对+、=、/三个字符做出特殊处理的算法而
base64是使用64个可打印字符来表示一个二进制数据，具体的做法参考百度百科
浏览器提供了btoa函数，可以完成这个操作：
window.btoa(JSON.stringify({
"alg":"HS256",
"typ":"JWT"
}))
// 得到字符串：eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9
同样的，浏览器也提供了atob函数，可以对其进行解码：
window.atob("eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9")
// 得到字符串：{"alg":"HS256","typ":"JWT"}
nodejs中没有提供这两个函数，可以安装第三方库
atob和bota搞定或者，手动搞定
payload
这部分是jwt的主体信息，它仍然是一个JSON对象，它可以包含以下内容：
{
"ss"："发行者",
"iat"："发布时间",
"exp"："到期时间",
"sub"："主题",
"aud"："听众",
"nbf"："在此之前不可用",
"jti"："JWT ID"
}
以上属性可以全写，也可以一个都不写，它只是一个规范，就算写了，也需要你在将来验证这个jwt令牌时手动处理才能发挥作用
上述属性表达的含义分别是：
- ss：发行该jwt的是谁，可以写公司名字，也可以写服务名称
- iat：该jwt的发放时间，通常写当前时间的时间戳
- exp：该jwt的到期时间，通常写时间戳
- sub：该jwt是用于干嘛的
- aud：该jwt是发放给哪个终端的，可以是终端类型，也可以是用户名称，随意一点
- nbf：一个时间点，在该时间点到达之前，这个令牌是不可用的
- jti：jwt的唯一编号，设置此项的目的，主要是为了防止重放攻击（重放攻击是在某些场景下，用户使用之前的令牌发送到服务器，被服务器正确的识别，从而导致不可预期的行为发生）
可是到现在，看了半天，没有出现我想要写入的数据啊
当用户登陆成功之后，我可能需要把用户的一些信息写入到jwt令牌中，比如用户id、账号等等（密码就算了）
其实很简单，payload这一部分只是一个json对象而已，你可以向对象中加入任何想要加入的信息
比如，下面的json对象仍然是一个有效的payload
{
"foo":"bar",
"iat":1587548215
}
foo: bar是我们自定义的信息，iat: 1587548215是jwt规范中的信息
最终，payload部分和header一样，需要通过base64 url编码得到：
window.btoa(JSON.stringify({
"foo":"bar",
"iat":1587548215
}))
// 得到字符串：eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9
signature
这一部分是jwt的签名，正是它的存在，保证了整个jwt不被篡改
这部分的生成，是对前面两个部分的编码结果，按照头部指定的方式进行加密
比如：头部指定的加密方法是HS256，前面两部分的编码结果是eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9
则第三部分就是用对称加密算法HS256对字符串eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9进行加密，当然你得指定一个秘钥，比如shhhhh
HS256(`eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9`, "shhhhh")
// 得到：BCwUy3jnUQ_E6TqCayc7rCHkx-vxxdagUwPOWqwYCFc
最终，将三部分组合在一起，就得到了完整的jwt
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9.BCwUy3jnUQ_E6TqCayc7rCHkx-vxxdagUwPOWqwYCFc
由于签名使用的秘钥保存在服务器，这样一来，客户端就无法伪造出签名，因为它拿不到秘钥。
换句话说，之所以说无法伪造jwt，就是因为第三部分的存在。
而前面两部分并没有加密，只是一个编码结果而已，可以认为几乎是明文传输
这不会造成太大的问题，因为既然用户登陆成功了，它当然有权力查看自己的用户信息
甚至在某些网站，用户的基本信息可以被任何人查看
你要保证的，是不要把敏感的信息存放到jwt中，比如密码
jwt的signature可以保证令牌不被伪造，那如何保证令牌不被篡改呢？
比如，某个用户登陆成功了，获得了jwt，但他人为的篡改了payload，比如把自己的账户余额修改为原来的两倍，然后重新编码出payload发送到服务器，服务器如何得知这些信息被篡改过了呢？
这就要说到令牌的验证了
令牌的验证
令牌在服务器组装完成后，会以任意的方式发送到客户端
客户端会把令牌保存起来，后续的请求会将令牌发送给服务器
而服务器需要验证令牌是否正确，如何验证呢？
首先，服务器要验证这个令牌是否被篡改过，验证方式非常简单，就是对header+payload用同样的秘钥和加密算法进行重新加密
然后把加密的结果和传入jwt的signature进行对比，如果完全相同，则表示前面两部分没有动过，就是自己颁发的，如果不同，肯定是被篡改过了。
传入的header.传入的payload.传入的signature
新的signature = header中的加密算法(传入的header.传入的payload, 秘钥)
验证：新的signature == 传入的signature
当令牌验证为没有被篡改后，服务器可以进行其他验证：比如是否过期、听众是否满足要求等等，这些就视情况而定了
注意：这些验证都需要服务器手动完成，没有哪个服务器会给你进行自动验证，当然，你可以借助第三方库来完成这些操作
总结
最后，总结一下jwt的特点：
- jwt本质上是一种令牌格式。它和终端设备无关，同样和服务器无关，甚至与如何传输无关，它只是规范了令牌的格式而已
- jwt由三部分组成：header、payload、signature。主体信息在payload
- jwt难以被篡改和伪造。这是因为有第三部分的签名存在。