JWT 详解

前言：

本博客为转载整合博客（主打一个：我们只做博客的搬运工），参考博客主要有：
https://blog.csdn.net/weixin_45070175/article/details/118559272?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522170459940116800215060893%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334…%2522%257D&request_id=170459940116800215060893&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2_blogtop_positive~default-1-118559272-null-null.nonecase&utm_term=jwt&spm=1018.2226.3001.4450

以及讲义：
链接：https://pan.baidu.com/s/1-m74G-15V8a36y9D7tqaMA?pwd=d95d
提取码：d95d
–来自百度网盘超级会员V5的分享

以及B站视频：https://www.bilibili.com/video/BV1i54y1m7cP

如有雷同，肯定是我搬运的！如有侵权，还请联系笔者。

1.什么是JWT

JSON Web Token (JWT) is an open standard (RFC 7519) that defines a compact and self-contained way for securely transmitting information between parties as a JSON object. This information can be verified and trusted because it is digitally signed. JWTs can be signed using a secret (with the HMAC algorithm) or a public/private key pair using RSA or ECDSA.

​ 官网地址: https://jwt.io/introduction/

翻译: jsonwebtoken（JWT）是一个开放标准（rfc7519），它定义了一种紧凑的、自包含的方式，用于在各方之间以JSON对象安全地传输信息。此信息可以验证和信任，因为它是数字签名的。jwt可以使用秘密（使用HMAC算法）或使用RSA或ECDSA的公钥/私钥对进行签名

通俗解释

JWT简称JSON Web Token,也就是通过JSON形式作为Web应用中的令牌,用于在各方之间安全地将信息作为JSON对象传输。在数据传输过程中还可以完成数据加密、签名等相关处理。

2.JWT能做什么

1.授权

• 这是使用JWT的最常见方案。一旦用户登录，每个后续请求将包括JWT，从而允许用户访问该令牌允许的路由，服务和资源。单点登录是当今广泛使用JWT的一项功能，因为它的开销很小并且可以在不同的域中轻松使用。

2.信息交换

• JSON Web Token是在各方之间安全地传输信息的好方法。因为可以对JWT进行签名（例如，使用公钥/私钥对），所以您可以确保发件人是他们所说的人。此外，由于签名是使用标头和有效负载计算的，因此您还可以验证内容是否遭到篡改。

3.为什么是JWT

基于传统的Session认证

1.认证方式

-我们知道，http协议本身是一种无状态的协议，而这就意味着如果用户向我们的应用提供了用户名和密码来进行用户认证，那么下一次请求时，用户还要再一次进行用户认证才行，因为根据http协议，我们并不能知道是哪个用户发出的请求，所以为了让我们的应用能识别是哪个用户发出的请求，我们只能在服务器存储一份用户登录的信息，这份登录信息会在响应时传递给浏览器，告诉其保存为cookie,以便下次请求时发送给我们的应用，这样我们的应用就能识别请求来自哪个用户了,这就是传统的基于session认证。

2.认证流程

3.暴露问题

• 1.每个用户经过我们的应用认证之后，我们的应用都要在服务端做一次记录，以方便用户下次请求的鉴别，通常而言session都是保存在内存中，而随着认证用户的增多，服务端的开销会明显增大

• 2.用户认证之后，服务端做认证记录，如果认证的记录被保存在内存中的话，这意味着用户下次请求还必须要请求在这台服务器上,这样才能拿到授权的资源，这样在分布式的应用上，相应的限制了负载均衡器的能力。这也意味着限制了应用的扩展能力。

• 3.因为是基于cookie来进行用户识别的, cookie如果被截获，用户就会很容易受到跨站请求伪造的攻击。

• 4.在前后端分离系统中就更加痛苦:如下图所示
  也就是说前后端分离在应用解耦后增加了部署的复杂性。通常用户一次请求就要转发多次。如果用session 每次携带sessionid 到服务器，服务器还要查询用户信息。同时如果用户很多。这些信息存储在服务器内存中，给服务器增加负担。还有就是CSRF（跨站伪造请求攻 击）攻击，session是基于cookie进行用户识别的, cookie如果被截获，用户就会很容易受到跨站请求伪造的攻击。还有就是 sessionid就是一个特征值，表达的信息不够丰富。不容易扩展。而且如果你后端应用是多节点部署。那么就需要实现session共享机制。 不方便集群应用。

基于JWT认证

1.认证流程

• 首先，前端通过Web表单将自己的用户名和密码发送到后端的接口。这一过程一般是一个HTTP POST请求。建议的方式是通过SSL加密的传输（https协议），从而避免敏感信息被嗅探。

• 后端核对用户名和密码成功后，将用户的id等其他信息作为JWT Payload（负载），将其与头部分别进行Base64编码拼接后签名，形成一个JWT(Token)。形成的JWT就是一个形同lll.zzz.xxx的字符串。 token head.payload.singurater

• 后端将JWT字符串作为登录成功的返回结果返回给前端。前端可以将返回的结果保存在localStorage或sessionStorage上，退出登录时前端删除保存的JWT即可。

• 前端在每次请求时将JWT放入HTTP Header中的Authorization位。(解决XSS和XSRF问题) HEADER

• 后端检查是否存在，如存在验证JWT的有效性。例如，检查签名是否正确；检查Token是否过期；检查Token的接收方是否是自己（可选）。

• 验证通过后后端使用JWT中包含的用户信息进行其他逻辑操作，返回相应结果。

2.jwt优势

• 简洁(Compact): 可以通过URL，POST参数或者在HTTP header发送，因为数据量小，传输速度也很快

• 自包含(Self-contained)：负载中包含了所有用户所需要的信息，避免了多次查询数据库

• 因为Token是以JSON加密的形式保存在客户端的，所以JWT是跨语言的，原则上任何web形式都支持。

• 不需要在服务端保存会话信息，特别适用于分布式微服务。

4.JWT的结构是什么?

1.令牌组成

• 1.标头(Header)
• 2.有效载荷(Payload)
• 3.签名(Signature)

因此，JWT通常如下所示:xxxxx.yyyyy.zzzzz
Header.Payload.Signature

2.Header

• 标头通常由两部分组成：令牌的类型（type）即JWT和所使用的签名算法(algorithm )，例如HMAC SHA256或RSA。它会使用 Base64 编码组成 JWT 结构的第一部分。

• 注意:Base64是一种编码，也就是说，它是可以被翻译回原来的样子来的。它并不是一种加密过程。

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

3.Payload

-令牌的第二部分是有效负载，其中包含声明。声明是有关实体（通常是用户）和其他数据的声明。同样的，它会使用 Base64 编码组成 JWT 结构的第二部分

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

这里面存的实际可以理解为后端传输给前端的用户信息，所以这里的信息一般是非敏感信息，比如说用户名，用户性别，年龄等。
注意：这里一般不会传输用户的密码等信息，不然存在信息泄露的风险。

4.Signature

前面两部分都是使用 Base64 进行编码的，即前端可以解开知道里面的信息。Signature 需要使用编码后的 header 和 payload 以及我们提供的一个密钥secret(也可以说是盐值、签名)，然后使用 header 中指定的签名算法（HS256）进行签名。签名的作用是保证 JWT 没有被篡改过。

• 如:
  HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + “.” + base64UrlEncode(payload),secret)

这里有几个问题需要再强调一下：

签名目的

所谓的“签名的作用是保证 JWT 没有被篡改过。”实际是这样操作的。

在首次登录后，后端会构建这样一个字符串

然后将其传给前端。
前端浏览器也好，安卓客户端也好进行存储，下一次相同用户访问时，前端会将这个字符串放入header(一般来说，也可能是cookie)里，然后后端在请求中将这个字符串重新取出，后端会根据“·”对这个字符串进行拆分，拿到header、payload、Signature这三个部分，然后使用同样的加密算法比如前面说的HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + “.” + base64UrlEncode(payload),secret)。看得到的结果与前端传过来的Signature是否一致，这样就可以验证JWT 有没有被篡改过。

放在一起

• 输出是三个由点分隔的Base64-URL字符串，可以在HTML和HTTP环境中轻松传递这些字符串，与基于XML的标准（例如SAML）相比，它更紧凑。
• 简洁(Compact)
  可以通过URL, POST 参数或者在 HTTP header 发送，因为数据量小，传输速度快
• 自包含(Self-contained)
  负载中包含了所有用户所需要的信息，避免了多次查询数据库

5.使用JWT

1.引入依赖

<dependency>
  <groupId>com.auth0groupId>
  <artifactId>java-jwtartifactId>
  <version>3.4.0version>
dependency>

2.生成token

Calendar instance = Calendar.getInstance();
instance.add(Calendar.SECOND, 90);
//生成令牌
String token = JWT.create()
  .withClaim("username", "张三")//设置自定义用户名
  .withExpiresAt(instance.getTime())//设置过期时间
  .sign(Algorithm.HMAC256("token!Q2W#E$RW"));//设置签名 保密 复杂
//输出令牌
System.out.println(token);

生成结果
eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJhdWQiOlsicGhvbmUiLCIxNDMyMzIzNDEzNCJdLCJleHAiOjE1OTU3Mzk0NDIsInVzZXJuYW1lIjoi5byg5LiJIn0.aHmE3RNqvAjFr_dvyn_sD2VJ46P7EGiS5OBMO_TI5jg

这里说明一下：

withClaim这个属性可以翻译为伴随属性，实际就是token里面的payload这个字符串里面的内容。默认是Map形式进行存储。有几个需要存储的数据就几个withClaim。

.sign(Algorithm.HMAC256("token!Q2W#E$RW"));

这是签名："token!Q2W#E$RW"就是盐值或者说签名，这个字符串是一定只能在服务端自留的，不能泄露，一般项目中是在配置文件中配置好。

Algorithm.HMAC256是一种常用的加盐加密算法，这也是默认的加密算法。

在上述设置中我们是没有设置header的，实际生成器会自动按照默认值设置，也就是前面说的默认值。

3.根据令牌和签名解析数据

//jwt验证
JWTVerifier jwtVerifier = JWT.require(Algorithm.HMAC256("token!Q2W#E$RW")).build();
//将token解析为能够获取信息的格式
DecodedJWT decodedJWT = jwtVerifier.verify(token);
System.out.println("用户名: " + decodedJWT.getClaim("username").asString());
System.out.println("过期时间: "+decodedJWT.getExpiresAt());

注意：
1.取数据需要注意，如果前面我们payload里面存储了两个值，（比如添加一行代码 .withClaim("sex", "男")//设置自定义用户名）但是我们并不能使用类似

String name  = decodedJWT.getClaim("username");
String sex = decodeJWT.getClaim("sex");

直接取值，getClaim本质上是一个Claim类型，在本质一点是一个Map类型，所以需要先get一下再去使用。

String name  = decodedJWT.get().getClaim("username");
String sex = decodeJWT.get().getClaim("sex");

4.常见异常信息

• SignatureVerificationException: 签名不一致异常
• TokenExpiredException: 令牌过期异常
• AlgorithmMismatchException: 算法不匹配异常
• InvalidClaimException: 失效的payload异常

6.封装工具类

public class JWTUtils {


    private static final String  SING = "!Q@W3e4r%T^Y";

    /**
     * 生成token  header.payload.sing
     */
    public static String getToken(Map<String,String> map, Date expire){
        
        //创建jwt builder
        JWTCreator.Builder builder = JWT.create();

        //payload
        map.forEach((k,v)->{
            builder.withClaim(k,v);
        });
        String token = builder.withExpiresAt(expire)//指定令牌过期时间
                .sign(Algorithm.HMAC256(SING));//sign
        return token;
    }

    /**
     * 验证token 合法性
     *
     */
    public static DecodedJWT verify(String token){
        return JWT.require(Algorithm.HMAC256(SING)).build().verify(token);
    }
}

7.JWT的种类

其实JWT(JSON Web Token)指的是一种规范，这种规范允许我们使用JWT在两个组织之间传递安全可靠的信息，JWT的具体实现可以分为以下几种：

nonsecure JWT：未经过签名，不安全的JWT
JWS：经过签名的JWT
JWE：payload部分经过加密的JWT

1.nonsecure JWT

未经过签名，不安全的JWT。其header部分没有指定签名算法

{
  "alg": "none",
  "typ": "JWT"
}

并且也没有Signature部分

2.JWS

JWS ，也就是JWT Signature，其结构就是在之前nonsecure JWT的基础上，在头部声明签名算法，并在最后添加上签名。创建签名，是保证jwt不能被他人随意篡改。我们通常使用的JWT一般都是JWS

为了完成签名，除了用到header信息和payload信息外，还需要算法的密钥，也就是secretKey。加密的算法一般有2类：

• 对称加密：secretKey指加密密钥，可以生成签名与验签
• 非对称加密：secretKey指私钥，只用来生成签名，不能用来验签(验签用的是公钥)

JWT的密钥或者密钥对，一般统一称为JSON Web Key，也就是JWK

到目前为止，jwt的签名算法有三种：

• HMAC【哈希消息验证码(对称)】：HS256/HS384/HS512
• RSASSA【RSA签名算法(非对称)】（RS256/RS384/RS512）
• ECDSA【椭圆曲线数据签名算法(非对称)】（ES256/ES384/ES512）

8.Java中使用JWT

官网推荐了6个.ava使用JWT的开源库，其中比较推荐使用的是java-jwt和jjwt-root

1.java-jwt

1.1对称加密

这个在上面的案例中已经展示了，这里就不再做说明。

1.2非对称加密

private static final String RSA_PRIVATE_KEY = "...";
private static final String RSA_PUBLIC_KEY = "...";

/**
     * 生成token
     * @param payload token携带的信息
     * @return token字符串
     */
public static String getTokenRsa(Map<String,String> payload){
    // 指定token过期时间为7天
    Calendar calendar = Calendar.getInstance();
    calendar.add(Calendar.DATE, 7);

    JWTCreator.Builder builder = JWT.create();
    // 构建payload
    payload.forEach((k,v) -> builder.withClaim(k,v));

    // 利用hutool创建RSA
    RSA rsa = new RSA(RSA_PRIVATE_KEY, null);
    // 获取私钥
    RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) rsa.getPrivateKey();
    // 签名时传入私钥
    String token = builder.withExpiresAt(calendar.getTime()).sign(Algorithm.RSA256(null, privateKey));
    return token;
}

/**
     * 解析token
     * @param token token字符串
     * @return 解析后的token
     */
public static DecodedJWT decodeRsa(String token){
    // 利用hutool创建RSA
    RSA rsa = new RSA(null, RSA_PUBLIC_KEY);
    // 获取RSA公钥
    RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) rsa.getPublicKey();
    // 验签时传入公钥
    JWTVerifier jwtVerifier = JWT.require(Algorithm.RSA256(publicKey, null)).build();
    DecodedJWT decodedJWT = jwtVerifier.verify(token);
    return decodedJWT;
}

2.jjwt-root

2.1 对称签名

引入依赖

<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtokengroupId>
    <artifactId>jjwtartifactId>
    <version>0.9.1version>
dependency>

使用方法类似，可参考下列代码

public class JwtUtils {
    // token时效：24小时
    public static final long EXPIRE = 1000 * 60 * 60 * 24;
    // 签名所需的密钥，对于不同的加密算法来说含义不同
    public static final String APP_SECRET = "ukc8BDbRigUDaY6pZFfWus2jZWLPHO";

    /**
     * 根据用户id和昵称生成token
     * @param id  用户id
     * @param nickname 用户昵称
     * @return JWT规则生成的token
     */
    public static String getJwtToken(String id, String nickname){
        String JwtToken = Jwts.builder()
                .setHeaderParam("typ", "JWT")
                .setHeaderParam("alg", "HS256")
                .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + EXPIRE))
                .claim("id", id)
                .claim("nickname", nickname)
            	// HS256算法实际上就是MD5加盐值，此时APP_SECRET就代表盐值
                .signWith(SignatureAlgorithm.HS256, APP_SECRET)
                .compact();

        return JwtToken;
    }

    /**
     * 判断token是否存在与有效
     * @param jwtToken token字符串
     * @return 如果token有效返回true，否则返回false
     */
    public static boolean checkToken(String jwtToken) {
        if(StringUtils.isEmpty(jwtToken)) return false;
        try {
            Jwts.parser().setSigningKey(APP_SECRET).parseClaimsJws(jwtToken);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
        return true;
    }

    /**
     * 判断token是否存在与有效
     * @param request Http请求对象
     * @return 如果token有效返回true，否则返回false
     */
    public static boolean checkToken(HttpServletRequest request) {
        try {
            // 从http请求头中获取token字符串
            String jwtToken = request.getHeader("token");
            if(StringUtils.isEmpty(jwtToken)) return false;
            Jwts.parser().setSigningKey(APP_SECRET).parseClaimsJws(jwtToken);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
        return true;
    }

    /**
     * 根据token获取会员id
     * @param request Http请求对象
     * @return 解析token后获得的用户id
     */
    public static String getMemberIdByJwtToken(HttpServletRequest request) {
        String jwtToken = request.getHeader("token");
        if(StringUtils.isEmpty(jwtToken)) return "";
        Jws<Claims> claimsJws = Jwts.parser().setSigningKey(APP_SECRET).parseClaimsJws(jwtToken);
        Claims claims = claimsJws.getBody();
        return (String)claims.get("id");
    }
}

注意：

jjwt在0.10版本以后发生了较大变化，pom依赖要引入多个

<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt-api</artifactId>
    <version>0.11.2</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt-impl</artifactId>
    <version>0.11.2</version>
    <scope>runtime</scope>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt-jackson</artifactId> <!-- or jjwt-gson if Gson is preferred -->
    <version>0.11.2</version>
    <scope>runtime</scope>
</dependency>

标准规范中对各种加密算法的secretKey的长度有如下要求：

HS256：要求至少 256 bits (32 bytes) HS384：要求至少384 bits (48 bytes)
HS512：要求至少512 bits (64 bytes) RS256 and PS256：至少2048 bits RS384 and
PS384：至少3072 bits RS512 and PS512：至少4096 bits ES256：至少256 bits (32
bytes) ES384：至少384 bits (48 bytes) ES512：至少512 bits (64 bytes)

在jjwt0.10版本之前，没有强制要求，secretKey长度不满足要求时也可以签名成功。但是0.10版本后强制要求secretKey满足规范中的长度要求，否则生成jws时会抛出异常

之前的签名和验签方法都是传入密钥的字符串，已经过时。最新的方法需要传入Key对象。

public class JwtUtils {
    // token时效：24小时
    public static final long EXPIRE = 1000 * 60 * 60 * 24;
    // 签名哈希的密钥，对于不同的加密算法来说含义不同
    public static final String APP_SECRET = "ukc8BDbRigUDaY6pZFfWus2jZWLPHOsdadasdasfdssfeweee";

    /**
     * 根据用户id和昵称生成token
     * @param id  用户id
     * @param nickname 用户昵称
     * @return JWT规则生成的token
     */
    public static String getJwtToken(String id, String nickname){
        String JwtToken = Jwts.builder()
                .setIssuedAt(new Date())
                .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + EXPIRE))
                .claim("id", id)
                .claim("nickname", nickname)
                // 传入Key对象
                .signWith(Keys.hmacShaKeyFor(APP_SECRET.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)), SignatureAlgorithm.HS256)
                .compact();
        return JwtToken;
    }

    /**
     * 判断token是否存在与有效
     * @param jwtToken token字符串
     * @return 如果token有效返回true，否则返回false
     */
    public static Jws<Claims> decode(String jwtToken) {
        // 传入Key对象
        Jws<Claims> claimsJws = Jwts.parserBuilder().setSigningKey(Keys.hmacShaKeyFor(APP_SECRET.getBytes(StandardCharsets.UTF_8))).build().parseClaimsJws(jwtToken);
        return claimsJws;
    }
}

2.2 非对称签名

生成jwt串的时候需要指定私钥，解析jwt串的时候需要指定公钥

private static final String RSA_PRIVATE_KEY = "...";
private static final String RSA_PUBLIC_KEY = "...";

/**
     * 根据用户id和昵称生成token
     * @param id  用户id
     * @param nickname 用户昵称
     * @return JWT规则生成的token
     */
public static String getJwtTokenRsa(String id, String nickname){
    // 利用hutool创建RSA
    RSA rsa = new RSA(RSA_PRIVATE_KEY, null);
    RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) rsa.getPrivateKey();
    String JwtToken = Jwts.builder()
        .setIssuedAt(new Date())
        .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + EXPIRE))
        .claim("id", id)
        .claim("nickname", nickname)
        // 签名指定私钥
        .signWith(privateKey, SignatureAlgorithm.RS256)
        .compact();
    return JwtToken;
}

/**
     * 判断token是否存在与有效
     * @param jwtToken token字符串
     * @return 如果token有效返回true，否则返回false
     */
public static Jws<Claims> decodeRsa(String jwtToken) {
    RSA rsa = new RSA(null, RSA_PUBLIC_KEY);
    RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) rsa.getPublicKey();
    // 验签指定公钥
    Jws<Claims> claimsJws = Jwts.parserBuilder().setSigningKey(publicKey).build().parseClaimsJws(jwtToken);
    return claimsJws;
}

9.实际开发中的应用

在实际的SpringBoot项目中，一般我们可以用如下流程做登录：

• 在登录验证通过后，给用户生成一个对应的随机token(注意这个token不是指jwt，可以用uuid等算法生成)，然后将这个token作为key的一部分，用户信息作为value存入Redis，并设置过期时间，这个过期时间就是登录失效的时间
• 将第1步中生成的随机token作为JWT的payload生成JWT字符串返回给前端
• 前端之后每次请求都在请求头中的Authorization字段中携带JWT字符串
• 后端定义一个拦截器，每次收到前端请求时，都先从请求头中的Authorization字段中取出JWT字符串并进行验证，验证通过后解析出payload中的随机token，然后再用这个随机token得到key，从Redis中获取用户信息，如果能获取到就说明用户已经登录

public class JWTInterceptor implements HandlerInterceptor {
    @Override
    public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) throws Exception {
        String JWT = request.getHeader("Authorization");
        try {
            // 1.校验JWT字符串
            DecodedJWT decodedJWT = JWTUtils.decode(JWT);
            // 2.取出JWT字符串载荷中的随机token，从Redis中获取用户信息
            ...
            return true;
        }catch (SignatureVerificationException e){
            System.out.println("无效签名");
            e.printStackTrace();
        }catch (TokenExpiredException e){
            System.out.println("token已经过期");
            e.printStackTrace();
        }catch (AlgorithmMismatchException e){
            System.out.println("算法不一致");
            e.printStackTrace();
        }catch (Exception e){
            System.out.println("token无效");
            e.printStackTrace();
        }
        return false;
    }
}

在实际开发中需要用下列手段来增加JWT的安全性：

• 因为JWT是在请求头中传递的，所以为了避免网络劫持，推荐使用HTTPS来传输，更加安全
• JWT的哈希签名的密钥是存放在服务端的，所以只要服务器不被攻破，理论上JWT是安全的。因此要保证服务器的安全
• JWT可以使用暴力穷举来破解，所以为了应对这种破解方式，可以定期更换服务端的哈希签名密钥(相当于盐值)。这样可以保证等破解结果出来了，你的密钥也已经换了

以上。