JWT 详解

JWT（JSON Web Token）是一种基于JSON格式的轻量级的、用于身份认证的开放标准。它通过在用户和服务器之间传递一个安全的、可靠的、独立的JSON对象来进行身份验证和授权。它如今被广泛应用在RESTful API中，因为RESTful API通常不会维持任何状态信息。

1. JWT的概念和特点

JWT是一种轻量级、可扩展、可自包含的身份验证和授权机制。它是由三个部分组成：头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature）。它的目的是为了在网络应用间传递声明信息，以便在某些情况下对用户进行身份验证和授权。

JWT有以下几个特点：

• 简洁（Compact）：JWT是一个紧凑且自包含的数据格式，它可以通过HTTP头或URL参数进行传输。
• 自包含（Self-contained）：JWT包含了足够的信息，使得客户端可以判断是否信任该令牌，而不需要查询服务器。
• 可扩展（Extensible）：由于JWT是基于JSON格式的，因此可以自定义Payload中的属性来适应各种业务需求。
• 安全（Secure）：JWT使用签名来验证发送方和接收方之间的身份。当使用加密算法时，还可以确保消息的机密性。

2. JWT的三个部分：Header、Payload和Signature

JWT由三个部分组成：头部、载荷和签名。

Header

JWT头部是一个JSON对象，它描述了生成和处理该JWT所需要的算法和类型信息。例如：

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

其中，"alg"表示签名算法，"typ"表示令牌类型。

Payload

JWT载荷是一个JSON对象，它包含了有关令牌和声明的信息。例如：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "iat": 1516239022
}

其中，"sub"表示主题（Subject），"name"表示名称，"iat"表示令牌的发行时间（Issued At）。

除了这些声明外，JWT还支持自定义声明。例如：

{
  "iss": "http://example.com",
  "exp": 1516239922,
  "custom_key": "custom_value"
}

其中，"iss"表示颁发者（Issuer），"exp"表示到期时间（Expiration Time），"custom_key"是自定义声明。

Signature

JWT签名用于验证消息的发送方和消息的完整性。签名由头部、载荷和密钥组成，并使用指定的算法进行计算。例如，使用HS256算法可以使用以下方法生成签名：

HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret)

其中，"."是分隔符，"secret"是密钥。

3. JWT的工作过程

JWT的工作流程可以描述为以下三个步骤：

1. 用户通过用户名和密码进行身份验证。
2. 服务器对用户进行身份验证，并创建一个JWT令牌，并将其返回给客户端。
3. 客户端在以后的请求中使用该令牌进行身份验证，并在需要访问API时将其发送到服务器。

具体的工作过程如下：

• 当用户成功登录到Web应用程序时，服务器将根据用户提供的凭据（例如用户名和密码）验证用户的身份，并创建一个JWT令牌。
• 服务器将从Payload中提取一些信息（例如用户ID或名称）并将其加密到JWT令牌中。
• JWT令牌将被加密，并在响应头或URL参数中返回给客户端。
• 在以后的请求中，客户端将JWT令牌作为授权标头或URL参数发送给服务器。
• 服务器将使用该令牌进行身份验证，并检查令牌是否被篡改或过期。如果令牌有效，则允许访问所需的API。

4. JWT常见的应用场景和优势

JWT主要应用于Web应用程序和RESTful API，以下是它的一些常见应用场景：

• 身份验证（Authentication）：JWT可以作为身份验证机制，代替传统的Cookie和Session方式。
• 前后端分离（Front and Backend Separation）：在前后端分离的架构中，JWT可以在前端和后端之间进行信任关系的建立和维护。
• 单点登录（Single Sign On）：在多个Web应用程序中共享JWT，可以实现单点登录的效果。
• 信息交换（Information Exchange）：JWT可以用于安全地在不同的系统之间传递信息。

JWT的优势包括：

• 无状态（Stateless）: JWT不需要在服务器上保存用户状态和会话信息，从而简化了服务器的负载和扩展性。
• 可扩展（Extensible）：JWT的载荷可以包含自定义声明，从而满足各种业务场景的需求。
• 安全（Secure）：JWT使用签名来验证发送方和接收方之间的身份。当使用加密算法时，还可以确保消息的机密性。
• 支持跨域（Cross-origin）：JWT可以通过HTTP头或URL参数进行传输，因此支持跨域访问。

5. 如何避免JWT的安全风险

使用JWT时，需要注意以下几点来避免安全风险：

• 不要将敏感信息存储在JWT中：JWT可以被解密，因此不应该将任何敏感信息存储在JWT中。
• 对于重要的操作，需要再次进行身份验证：JWT只是一种身份验证机制，而不是授权机制。即使用户已经通过JWT进行了身份验证，服务器仍然需要对他们进行授权和验证。
• 使用HTTPS协议：由于JWT可能被篡改，因此需要确保使用HTTPS协议以确保消息的机密性和完整性。
• 设置合理的过期时间：如果JWT永远不会过期，那么它就会成为一个长期有效的访问令牌，从而增加了访问令牌被攻击者盗用的风险。

6.代码案例

1. JJWT（Java JWT）

JJWT 是一个流行的 Java JWT 库，它提供了一种创建、编码和解码 JWT 的简便方法。以下是一个基于 JJWT 的示例：

import io.jsonwebtoken.Claims;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;

import java.util.Date;

public class JwtUtils {

    private static final long EXPIRATION_TIME = 864_000_000; // 10 days
    private static final String SECRET_KEY = "secretKey";

    public static String generateToken(String username) {
        Date expiryDate = new Date(System.currentTimeMillis() + EXPIRATION_TIME);
        return Jwts.builder()
                .setSubject(username)
                .setExpiration(expiryDate)
                .signWith(SignatureAlgorithm.HS512, SECRET_KEY)
                .compact();
    }

    public static String getUsernameFromToken(String token) {
        Claims claims = Jwts.parser()
                .setSigningKey(SECRET_KEY)
                .parseClaimsJws(token)
                .getBody();
        return claims.getSubject();
    }

    public static boolean isTokenValid(String token) {
        try {
            Jwts.parser().setSigningKey(SECRET_KEY).parseClaimsJws(token);
            return true;
        } catch (Exception e) {
            return false;
        }
    }
}

在这个示例中，JwtUtils 类包含了生成令牌、从令牌中获取用户名和验证令牌的三个方法。注意，在实际使用中，SECRET_KEY 应该更加复杂。

2. Spring Security

Spring Security 是一个流行的安全框架，它提供了一种轻松的方式来保护应用程序和 APIs。Spring Security 支持使用 JWT 进行身份验证和授权。以下是一个基于 Spring Security 的示例：

@Configuration
@EnableWebSecurity
public class SecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {

    @Autowired
    private UserService userService;

    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http
            .csrf().disable()
            .authorizeRequests()
                .antMatchers("/api/auth/**").permitAll()
                .anyRequest().authenticated()
                .and()
            .sessionManagement().sessionCreationPolicy(SessionCreationPolicy.STATELESS);

        http.addFilterBefore(jwtAuthenticationFilter(), UsernamePasswordAuthenticationFilter.class);
    }

    @Bean
    public JwtAuthenticationFilter jwtAuthenticationFilter() {
        return new JwtAuthenticationFilter();
    }

    @Override
    protected void configure(AuthenticationManagerBuilder auth) throws Exception {
        auth.userDetailsService(userService).passwordEncoder(passwordEncoder());
    }

    @Bean
    public PasswordEncoder passwordEncoder() {
        return new BCryptPasswordEncoder();
    }
}

在这个示例中，SecurityConfig 类扩展了 WebSecurityConfigurerAdapter 类，并覆盖了其中的 configure(HttpSecurity http) 方法。在这个方法中，Spring Security 配置了哪些 URL 公开，哪些需要进行身份验证，并且禁用了 CSRF 保护。配置完后，Spring Security 将 JWT 过滤器添加到 UsernamePasswordAuthenticationFilter 前面。

在实现身份验证之前，需要创建一个用户服务类并实现 UserDetailsService 接口。以下是一个示例：

@Service
public class UserService implements UserDetailsService {

    @Autowired
    private UserRepository userRepository;

    @Override
    public UserDetails loadUserByUsername(String username) throws UsernameNotFoundException {
        User user = userRepository.findByUsername(username)
                .orElseThrow(() -> new UsernameNotFoundException("User not found"));
        return new org.springframework.security.core.userdetails.User(user.getUsername(),
                user.getPassword(), new ArrayList<>());
    }
}

在这个示例中，UserService 类实现了 UserDetailsService 接口，并覆盖其中的 loadUserByUsername(String username) 方法。该方法根据给定的用户名查找用户，如果用户不存在，则抛出 UsernameNotFoundException 异常。

最后，需要实现一个 JWT 过滤器来验证 JWT 并将身份验证信息加载到 Spring Security 的上下文中。以下是一个基于 Spring Security 的 JWT 过滤器示例：

public class JwtAuthenticationFilter extends OncePerRequestFilter {

    private static final String AUTHORIZATION_HEADER = "Authorization";
    private static final String TOKEN_PREFIX = "Bearer ";

    @Override
    protected void doFilterInternal(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response,
                                    FilterChain filterChain) throws ServletException, IOException {
        try {
            String token = parseToken(request);
            if (token != null && JwtUtils.isTokenValid(token)) {
                String username = JwtUtils.getUsernameFromToken(token);
                UserDetails userDetails = userService.loadUserByUsername(username);
                UsernamePasswordAuthenticationToken authenticationToken =
                        new UsernamePasswordAuthenticationToken(userDetails, null, userDetails.getAuthorities());
                authenticationToken.setDetails(new WebAuthenticationDetailsSource().buildDetails(request));
                SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(authenticationToken);
            }
        } catch (Exception e) {
            logger.error("Error while processing authentication request", e);
        }

        filterChain.doFilter(request, response);
    }

    private String parseToken(HttpServletRequest request) {
        String header = request.getHeader(AUTHORIZATION_HEADER);
        if (header != null && header.startsWith(TOKEN_PREFIX)) {
            return header.substring(TOKEN_PREFIX.length());
        }
        return null;
    }
}

在这个示例中，JWT 过滤器实现了 OncePerRequestFilter 类，并覆盖了其中的 doFilterInternal 方法。在该方法中，它从请求头中获取 JWT，验证 JWT，将身份验证信息加载到 Spring Security 的上下文中，然后放行请求。

3. Apache Shiro

Apache Shiro 是一个功能丰富的安全框架，可以用于保护 Java 应用程序和 APIs。Shiro 支持使用 JWT 进行身份验证和授权。以下是一个基于 Shiro 的示例：

@Configuration
public class ShiroConfig {

    @Bean
    public DefaultWebSecurityManager securityManager() {
        DefaultWebSecurityManager securityManager = new DefaultWebSecurityManager();
        securityManager.setRealm(realm());
        return securityManager;
    }

    @Bean
    public JwtRealm realm() {
        JwtRealm realm = new JwtRealm();
        realm.setCredentialsMatcher(jwtCredentialsMatcher());
        return realm;
    }

    @Bean
    public JwtCredentialsMatcher jwtCredentialsMatcher() {
        return new JwtCredentialsMatcher();
    }

    @Bean
    public ShiroFilterFactoryBean shiroFilterFactoryBean(SecurityManager securityManager) {
        ShiroFilterFactoryBean filterFactoryBean = new ShiroFilterFactoryBean();
        filterFactoryBean.setSecurityManager(securityManager);
        filterFactoryBean.setFilters(filters());
        filterFactoryBean.setFilterChainDefinitionMap(filterChainDefinition());
        return filterFactoryBean;
    }

    private Map<String, String> filterChainDefinition() {
        Map<String, String> filterChainDefinition = new LinkedHashMap<>();
        filterChainDefinition.put("/api/auth/**", "anon");
        filterChainDefinition.put("/**", "jwt");
        return filterChainDefinition;
    }

    private Map<String, Filter> filters() {
        Map<String, Filter> filters = new HashMap<>();
        filters.put("jwt", new JwtFilter());
        return filters;
    }
}

在这个示例中，Shiro 配置了一个名为 securityManager 的安全管理器，其中包含一个名为 realm 的域。realm 类需要实现 org.apache.shiro.realm.Realm 接口，并覆盖其中的 supports(AuthenticationToken token) 和 getAuthenticationInfo(AuthenticationToken token) 方法来验证 JWT。

类似于 Spring Security，需要实现一个 JWT 过滤器来验证 JWT 并将身份验证信息加载到 Shiro 的上下文中。以下是一个基于 Shiro 的 JWT 过滤器示例：

public class JwtFilter extends AuthenticatingFilter {

    @Override
    protected AuthenticationToken createToken(ServletRequest request, ServletResponse response) {
        String token = getToken(request);
        if (StringUtils.isNotBlank(token) && JwtUtils.isTokenValid(token)) {
            return new JwtToken(token);
        }
        return null;
    }

    @Override
    protected boolean onAccessDenied(ServletRequest request, ServletResponse response) throws Exception {
        HttpServletResponse httpServletResponse = (HttpServletResponse) response;
        httpServletResponse.setStatus(HttpStatus.UNAUTHORIZED.value());
        return false;
    }

    private String getToken(ServletRequest request) {
        HttpServletRequest httpServletRequest = (HttpServletRequest) request;
        String token = httpServletRequest.getHeader("Authorization");
        if (StringUtils.isNotBlank(token) && token.startsWith("Bearer ")) {
            return token.substring(7);
        } else {
            return null;
        }
    }
}

在这个示例中，JWT 过滤器扩展了 AuthenticatingFilter 类，并覆盖了其中的 createToken(ServletRequest request, ServletResponse response) 和 onAccessDenied(ServletRequest request, ServletResponse response) 方法。createToken 方法创建一个 JwtToken 对象，并将 JWT 设置为凭据。onAccessDenied 方法在未找到 JWT 时返回 UNAUTHORIZED 状态码。