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

JWT原理详解_第1张图片

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

JWT原理详解_第2张图片

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-cookieauthorization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

JWT原理详解_第3张图片

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:

  1. header:令牌头部,记录了整个令牌的类型和签名算法
  2. 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
  3. 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:eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9
  • payload:eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9
  • signature: 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

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atobbota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

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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。

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