【知识】JWT数据格式及实现单点登录原理

1. 摘要

本文讲解JWT（JSON Web Token ）的定义，机制，格式和在跨域多网站单点登录中的应用。

2.内容

2.1 什么是JWT ?

Json web token（JWT）是为了网络应用环境间传递声明而执行的一种基于JSON的开发标准（RFC 7519），该token被设计为紧凑且安全的，特别适用于分布式站点的单点登陆（SSO）场景。JWT的声明一般被用来在身份提供者和服务提供者间传递被认证的用户身份信息，以便于从资源服务器获取资源，也可以增加一些额外的其它业务逻辑所必须的声明信息，该token也可直接被用于认证，也可被加密。

通俗来讲，JWT是一个含签名并携带用户相关信息的加密串，页面请求校验登录接口时，请求头中携带JWT串到后端服务，后端通过签名加密串匹配校验，保证信息未被篡改。校验通过则认为是可靠的请求，将正常返回数据。

什么情况下使用JWT比较适合？

• 授权：
  这是最常见的使用场景，解决单点登录问题。因为JWT使用起来轻便，开销小，服务端不用记录用户状态信息（无状态），所以使用比较广泛；
• 信息交换：
  JWT是在各个服务之间安全传输信息的好方法。因为JWT可以签名，例如，使用公钥/私钥对儿 - 可以确定请求方是合法的。此外，由于使用标头和有效负载计算签名，还可以验证内容是否未被篡改。

2.2 JWT 的数据结构

2.2.1 传统 session 认证及其弊病

互联网服务离不开用户认证。一般流程是下面这样。

1、用户向服务器发送用户名和密码。
2、服务器验证通过后，在当前对话（session）里面保存相关数据，比如用户角色、登录时间等等。
3、服务器向用户返回一个 session_id，写入用户的 Cookie。
4、用户随后的每一次请求，都会通过 Cookie，将 session_id 传回服务器。
5、服务器收到 session_id，找到前期保存的数据，由此得知用户的身份。

这种模式的问题在于，扩展性（scaling）不好。单机当然没有问题，如果是服务器集群，或者是跨域的服务导向架构，就要求 session 数据共享，每台服务器都能够读取 session。

举例来说，A 网站和 B 网站是同一家公司的关联服务。现在要求，用户只要在其中一个网站登录，再访问另一个网站就会自动登录，请问怎么实现？

一种解决方案是 session 数据持久化，写入数据库或别的持久层。各种服务收到请求后，都向持久层请求数据。这种方案的优点是架构清晰，缺点是工程量比较大。另外，持久层万一挂了，就会单点失败。

另一种方案是服务器索性不保存 session 数据了，所有数据都保存在客户端，每次请求都发回服务器。JWT 就是这种方案的一个代表。

2.2.2 JWT 的原理

JWT 的原理是，服务器认证以后，生成一个 JSON 对象，发回给用户，就像下面这样.

{
  "姓名": "张三",
  "角色": "管理员",
  "到期时间": "2018年7月1日0点0分"
}

以后，用户与服务端通信的时候，都要发回这个 JSON 对象。服务器完全只靠这个对象认定用户身份。为了防止用户篡改数据，服务器在生成这个对象的时候，会加上签名（详见后文）。

服务器就不保存任何 session 数据了，也就是说，服务器变成无状态了，从而比较容易实现扩展。

2.2.3 JWT 的数据结构

实际的 JWT 大概就像下面这样。

它是一个很长的字符串，中间用点（.）分隔成三个部分。注意，JWT 内部是没有换行的，这里只是为了便于展示，将它写成了几行。

JWT 的三个部分依次如下。

• Header（头部）
• Payload（负载）
• Signature（签名）

写成一行，就是下面的样子。

Header.Payload.Signature

下面依次介绍这三个部分。

2.2.3.1 Header

Header 部分是一个 JSON 对象，描述 JWT 的元数据，通常是下面的样子。

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

上面代码中，alg属性表示签名的算法（algorithm），默认是 HMAC SHA256（写成 HS256）；typ属性表示这个令牌（token）的类型（type），JWT 令牌统一写为JWT。

最后，将上面的 JSON 对象使用 Base64URL 算法（详见后文）转成字符串。

2.2.3.2 Payload

Payload 部分也是一个 JSON 对象，用来存放实际需要传递的数据。JWT 规定了7个官方字段，供选用。

• iss (issuer)：签发人
• exp (expiration time)：过期时间
• sub (subject)：主题
• aud (audience)：受众
• nbf (Not Before)：生效时间
• iat (Issued At)：签发时间
• jti (JWT ID)：编号

除了官方字段，你还可以在这个部分定义私有字段，下面就是一个例子。

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "admin": true
}

注意，JWT 默认是不加密的，任何人都可以读到，所以不要把秘密信息放在这个部分。

这个 JSON 对象也要使用 Base64URL 算法转成字符串。

2.2.3.3 Signature

Signature 部分是对前两部分的签名，防止数据篡改。

首先，需要指定一个密钥（secret）。这个密钥只有服务器才知道，不能泄露给用户。然后，使用 Header 里面指定的签名算法（默认是 HMAC SHA256），按照下面的公式产生签名。

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，就可以返回给用户。

2.2.3.4 Base64URL

前面提到，Header 和 Payload 串型化的算法是 Base64URL。这个算法跟 Base64 算法基本类似，但有一些小的不同。

JWT 作为一个令牌（token），有些场合可能会放到 URL（比如 api.example.com/?token=xxx）。Base64 有三个字符+、/和=，在 URL 里面有特殊含义，所以要被替换掉：=被省略、+替换成-，/替换成_ 。这就是 Base64URL 算法。

2.2.3.4

客户端收到服务器返回的 JWT，可以储存在 Cookie 里面，也可以储存在 localStorage。

此后，客户端每次与服务器通信，都要带上这个 JWT。你可以把它放在 Cookie 里面自动发送，但是这样不能跨域，所以更好的做法是放在 HTTP 请求的头信息Authorization字段里面。

Authorization: Bearer 

另一种做法是，跨域的时候，JWT 就放在 POST 请求的数据体里面。

2.3 JWT 认证流程

常规的 JWT 认证流程如下如：

相比于 session 认证，JWT 省去了服务器存储用户信息的过程。

JWT 常见校验流程:

其中设置 payload 校验规则一般是检查 nbf、exp 以及用户自定义的一些字段。

2.4 使用JWT实现单点登录（完全跨域方案）

基于 cookie 的单点登录模式有一个弊病在于，其对应的多个站点的顶级域名必须相同。

主要有以下三步：
项目一开始我先封装了一个JWTHelper工具包（GitHub下载），主要提供了生成JWT、解析JWT以及校验JWT的方法，其他还有一些加密相关操作。
接下来，我在客户端项目中依赖JWTHelper工具包，并添加Interceptor拦截器，拦截需要校验登录的接口。拦截器中校验JWT有效性，并在response中重新设置JWT的新值；
最后在JWT服务端，依赖JWT工具包，在登录方法中，需要在登录校验成功后调用生成JWT方法，生成一个JWT令牌并且设置到response的header中。

参考 使用JWT实现单点登录（完全跨域方案）https://blog.csdn.net/weixin_42873937/article/details/82460997

2.5 access_token和refresh_token

通常在使用JWT的时候会设置access_token和refresh_token两个token，access_token有效期较短，refresh_token有效期较长，当access_token过期之后，如果refresh_token没有过期则可以换取新的access_token。我的疑问在于为什么不直接给access_token设置一个较长的有效期。如果是为了安全，能拿到access_token，拿到refresh_token就是轻而易举的事；还有的说法是refresh_token中可以存放比access_token更多、验证起来更复杂的信息。

Token作为用户获取受保护资源的凭证，必须设置一个过期时间，否则一次登录便可永久使用，认证功能就失去了意义。但是矛盾在于：过期时间设置得太长，用户数据的安全性将大打折扣；过期时间设置得太短，用户就必须每隔一段时间重新登录，以获取新的凭证，这会极大挫伤用户的积极性。针对这一问题，我们可以利用Access / Refresh Token这一概念来平衡Token安全性和用户体验。

Access / Refresh Token是什么？

上图表示Access/Refresh Token在客户端、认证服务器、资源服务器三者之间的传递关系，简单来说：

• Access Token即“访问令牌”，是客户端向资源服务器换取资源的凭证；
• Refresh Token即“刷新令牌”，是客户端向认证服务器换取Access Token的凭证。

Access / Refresh Token如何使用？

上图表示客户端请求资源的过程中，Access Token 和 Refresh Token 是如何配合使用的：

1. 用户提供身份信息（一般是[用户名/密码]，利用客户端向认证服务器换取 Refresh Token和Access Token）；
2. 客户端携带Access Token访问资源服务器，资源服务器识别Access Token并返回资源；
3. 当Access Token过期或失效，客户端再一次访问资源服务器，资源服务器返回“无效token”报错；
4. 客户端通过Refresh Token向认证服务器换取Access Token，认证服务器返回新的Access Token。

3. 参考

（1）10分钟了解JSON Web令牌（JWT）
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1608021814182894637&wfr=spider&for=pc

（2）JWT的使用流程
https://blog.csdn.net/shmely/article/details/85915044

（3）JWT全面解读、使用步骤
https://blog.csdn.net/achenyuan/article/details/80829401

（4）JSON Web Token 入门教程 -阮一峰
http://www.ruanyifeng.com/blog/2018/07/json_web_token-tutorial.html
【说明】jwt结构讲得比较清晰。

（5）JWT(JSON Web Tokens)
https://www.cnblogs.com/zaixiuxing/p/6005968.html

（6）使用JWT实现单点登录（完全跨域方案）
https://blog.csdn.net/weixin_42873937/article/details/82460997

（7）基于 JWT 的单点登录设计
https://www.jianshu.com/p/6c4e1804653f
【说明】有逻辑图，介绍得清晰。

（8）JWT全面解读、使用步骤
https://blog.csdn.net/achenyuan/article/details/80829401
【说明】JAVA实现代码

（9）看图理解JWT如何用于单点登录
https://www.shuzhiduo.com/A/kPzORnodxn/