JWT -- 复盘

1、前言

1.1、Token流程

先来回顾一下利用 token 进行用户身份验证的流程：

客户端使用用户名和密码请求登录
服务端收到请求，验证用户名和密码
验证成功后，服务端会签发一个 token，再把这个 token 返回给客户端
客户端收到 token 后可以把它存储起来，比如放到 cookie 中
客户端每次向服务端请求资源时需要携带服务端签发的 token，可以在 cookie 或者 header 中携带
服务端收到请求，然后去验证客户端请求里面带着的 token，如果验证成功，就向客户端返回请求数据

单点登录：一次登录多处使用

前提：单点登录多使用在分布式系统中

京东：单点登录，是将 token 放入到 cookie 中
案例：将浏览器的 cookie 禁用，则在登录京东则失效，无论如何登录不了

1.2、Token的优点

基于token的认证方式相比传统的session认证方式更节约服务器资源，并且对移动端和分布式更加友好。其优点如下：

支持跨域访问：cookie 默认是不支持跨域的，而将 token 放在 HTTP 请求头中可以有效支持跨域请求。这是因为 HTTP 头是可以自定义的，而且标准的跨域资源共享（CORS）策略允许指定哪些头信息可以跨域传输。

无状态：Token 是无状态的，存储了所有必要的用户信息。这使得后端服务可以不存储状态信息，从而使架构更简单，更易于扩展。这种方式尤其适用于分布式系统和微服务架构，其中各个服务需要轻量级并独立处理请求。

更适用CDN：使用 token 认证的无状态特性意味着请求可以由任何服务器处理，包括通过 CDN 分发的服务器。这样可以减少对原始服务器的直接请求，提高响应速度并降低延迟。

更适用于移动端：在非浏览器环境，如移动应用或桌面应用中，cookie 支持可能有限或不稳定，使用 token 可以简化认证过程，因为开发者可以更灵活地控制如何存储和传输 token（例如存储在本地存储或内存中）。

无需考虑CSRF：由于 token 通常不会自动随请求发送，与 cookie 不同，它需要显式地附加到 HTTP 请求的头部。这种特性意味着不会自动发送到创建它们的同一域，因此大大降低了 CSRF 攻击的风险。

而JWT就是上述流程当中token的一种具体实现方式，其全称是 JSON Web Token

1.3、JWT Token

JWT（JSON Web Tokens）的本质是一个字符串，它通过一定的方式对用户信息进行封装、编码和安全处理。下面我会用一个更加生活化的比喻来解释JWT的工作原理和特性：

想象JWT是一封信件。信封上写着寄信人（头部Header），信的内容是关于寄信人的某些信息（载荷Payload），比如姓名、权限等。为了确保这封信在送达时内容没有被篡改，寄信人在信封上封了一层蜡，并在蜡上压上了自己的印章（签名Signature）。这样，收信人收到信后，只需检查印章是否完整，就能确定信件是否在途中被人篡改过。

在技术层面：

头部（Header）：包含了使用的加密算法与令牌的类型，类似于“信封”的标识。
载荷（Payload）：包含了要传输的信息，这些信息被称为“声明”（Claims），可以包含用户的身份信息以及其他任何需要的数据。
签名（Signature）：服务器利用一个密钥对头部和载荷进行加密，加密后的字符串就是“印章”，用以确保数据在传输过程中未被篡改。

当JWT在用户和服务器之间传递时，服务器可以通过检查签名来验证信息是否被篡改，以及用户的合法性。这个机制使得JWT非常适合用于身份验证与信息交换，而且由于JWT的自包含性，服务器无需连接数据库即可完成验证，提高了处理速度和减少了系统开销。

JWT的认证流程如下：

1、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，这个过程一般是一个POST请求。建议的方式是通过SSL加密的传输(HTTPS)，从而避免敏感信息被嗅探。

2、后端核对用户名和密码成功后，将包含用户信息的数据作为JWT的Payload，将其与JWT Header分别进行Base64编码拼接后签名，形成一个 JWT Token，形成的JWT Token就是一个如同lll.zzz.xxx的字符串

3、后端将JWT Token字符串作为登录成功的结果返回给前端。前端可以将返回的结果保存在浏览器中，退出登录时删除保存的 JWT Token 即可

4、前端在每次请求时将JWT Token放入HTTP请求头中的Authorization属性中(解决XSS和XSRF问题)

5、后端检查前端传过来的JWT Token，验证其有效性，比如检查签名是否正确、是否过期、token的接收方是否是自己等等

6、验证通过后，后端解析出JWT Token中包含的用户信息，进行其他逻辑操作(一般是根据用户信息得到权限等)，返回结果

二、为什么要使用JWT

2.1、传统Session认证的弊端

1、用户认证的初次请求

用户提交认证信息：用户在客户端（如Web浏览器）输入用户名和密码，然后提交这些信息到服务器进行认证。

服务器处理认证：服务器接收到用户名和密码后，验证这些信息。如果认证成功，服务器需要创建一个会话来跟踪用户的状态，因为HTTP本身不会记住用户的状态或身份。

2、会话创建和会话ID的分发

创建会话和会话ID：认证成功后，服务器创建一个session，这个session包含有关用户的信息，如用户ID、权限等。每个session都会被分配一个唯一的session ID。

发送会话ID至客户端：一旦session创建，服务器通过HTTP响应将session ID作为cookie发送给用户的浏览器。服务器通过设置响应头中的Set-Cookie来实现这一点，cookie中会包含session ID。

3、客户端存储和后续请求

客户端存储Cookie：用户的浏览器接收到这个cookie后，将其保存在本地。此后，每当浏览器向服务器发送请求时，它会自动在请求头中包含这个cookie。

服务器识别并处理请求：服务器每次接收请求时，会首先检查请求头中是否包含有效的session ID。服务器通过session ID查找相应的session对象，如果找到，就可以识别用户并获取用户的登录状态和其他相关信息。

4、维护用户会话状态

会话状态的持续性：通过这种方式，即使HTTP协议是无状态的，服务器也能“记住”用户在多个请求之间的状态。这意味着用户在浏览不同页面或进行不同操作时无需重复登录。

5、会话结束

结束会话：当用户选择登出或者session过期时（由服务器决定何时过期），服务器将终止session，并可能要求浏览器删除包含session ID的cookie。

通过这种机制，session认证允许Web应用跟踪用户的状态和身份，提供连贯的用户体验。然而，正如先前讨论的，这种方法在处理分布式系统、大量用户、移动应用或跨域请求时可能会面临一些挑战和限制。

这就是为什么在许多现代应用中，特别是需要弹性扩展和微服务架构的场景中，越来越倾向于使用基于token的认证方式，如JWT。

通过一个生活中例子来类比传统基于session的认证过程：

        想象你去一个大型音乐会，入场时你需要出示购票凭证（这就像是用户在网站上输入用户名和密码）。一旦检票员验证了你的票是有效的，他们会在你的手腕上贴一个不易脱落的贴纸或戴上手环（这相当于服务器为用户创建session并发放一个session ID）。

        一旦你有了这个手环，你就可以自由地进出会场的不同区域，不需要每次进入新区域都重新出示你的购票凭证。只要你的手上戴着那个手环，工作人员就可以通过看手环确认你的入场资格（这就像Web服务器通过检查cookie中的session ID来确认用户的身份和状态）。

        每当你离开音乐会场地时，你可能会被要求剪掉手环，这表示你的访问权限已经结束，再次进入需要重新购买门票或验证（这与用户登出或session过期后服务器终止session相似）。

        这个例子生动地说明了session的工作原理：一次验证，多次使用，直到会话结束。同样地，在Web环境中，用户通过一次登录验证后，可以在不需要重新验证的情况下访问多个页面和服务，直到session结束。

2.2、传统的session认证的问题

1. 服务器资源消耗大

        每个用户登录后，服务器都必须为其创建并维护一个session。这些session信息通常存储在服务器的内存中。随着在线用户数量的增加，这将显著增加服务器的内存消耗。在用户规模较大的系统中，这会导致显著的性能瓶颈和成本增加。

2. 不利于分布式系统

        在现代的云基础设施和微服务架构中，应用通常被部署在多个服务器或容器上以实现负载均衡和高可用性。由于session默认存储在一个服务器上，用户的后续请求若路由到不同的服务器，其session信息将不可用，除非通过集中式的session管理，如使用Redis等。这不仅增加了架构的复杂性，还可能引入新的性能瓶颈。

3. 移动端兼容性差

        移动设备上的应用可能不支持cookie，或者对cookie的处理方式与桌面浏览器不同。这使得基于cookie的session认证方法在移动端应用中不那么有效，尤其是在原生应用中。

4. 安全隐患

        Session认证依赖于cookie来存储session ID，如果cookie被截获（例如通过XSS攻击或者用户在不安全的网络环境中使用应用），攻击者可以利用这些信息冒充用户。此外，基于cookie的机制也容易受到CSRF攻击，尽管可以通过其他措施（如使用CSRF token）来缓解这一问题。

5. 前后端分离的挑战

        在前后端分离的架构中，前端通常通过API与后端通信。每次API请求都需要携带用户的身份信息。由于cookie和session信息需要在多个中间件之间传递，这增加了维护和调试的复杂性，特别是在跨域场景下。

6. 跨域问题

        基于cookie的session无法轻松处理跨域请求，因为浏览器出于安全考虑默认不会发送cookie到其他域。这限制了基于session的应用在单点登录和跨服务集成中的能力。

2.3、JWT认证的优势

1. 简洁和高效

        JWT是一种非常紧凑的令牌格式。因为它只是一个由三部分组成的字符串——头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature），每部分之间通过点（.）分隔。由于其紧凑的格式，JWT在网络中的传输效率非常高，适用于各种网络环境，尤其是带宽有限的情况。

2. 跨平台和跨语言支持

        JWT基于JSON格式，这使得它非常容易在不同的编程语言和平台中处理。几乎所有现代编程语言都支持JSON解析和生成，这样JWT可以轻松地在各种客户端和服务器端技术之间使用，无论是Web、桌面还是移动应用。

3. 无状态和适用于分布式微服务

        JWT不需要在服务器端存储会话状态，因此它是无状态的。这一特性非常适合分布式系统和微服务架构，因为服务间的通信不需要每次都进行复杂的会话同步。每个服务只需要能够验证JWT的签名并解析其内容，就可以独立进行身份验证，大大简化了系统架构。

4. 单点登录友好

        JWT非常适合实现单点登录（SSO），因为它可以生成一次并由多个不同的系统验证。由于JWT不依赖于cookie，它可以通过前端存储（如LocalStorage或SessionStorage）在客户端进行管理，也可以作为URL参数安全地在不同应用间传递，这使得跨域身份验证成为可能。

5. 适合移动端应用

        在移动应用中，使用基于cookie的session认证往往不是最佳选择，因为移动平台对cookie的支持不如Web浏览器。JWT则可以在应用内部安全存储，如在设备的本地存储中，或者每次请求时通过HTTP头部发送，这使得它非常适合移动设备和原生应用。

三、JWT结构

其实是上面为什么使用JWT也有提到的它的结构 -->（标头(Header)、有效载荷(Payload)和签名(Signature)）

确实，JWT由3部分组成：标头(Header)、有效载荷(Payload)和签名(Signature)。在传输的时候，会将JWT的3部分分别进行Base64编码后用.进行连接形成最终传输的字符串。

3.1、Header

JWT头是一个描述JWT元数据的JSON对象，alg属性表示签名使用的算法，默认为HMAC SHA256（写为HS256）；typ属性表示令牌的类型，JWT令牌统一写为JWT。最后，使用Base64 URL算法将上述JSON对象转换为字符串保存

{

    "alg": "HS256", // 指明签名使用的哈希算法，通常是HMAC SHA256或RSA。

    "typ": "JWT" //表示令牌的类型，标准中规定为“JWT”

}

3.2、Payload

有效载荷部分，是JWT的主体内容部分，也是一个JSON对象，包含需要传递的数据。 JWT指定七个默认字段供选择

iss：发行人

exp：到期时间

sub：主题

aud：用户

nbf：在此之前不可用

iat：发布时间

jti：JWT ID用于标识该JWT

除以上默认字段外，我们还可以自定义私有字段，一般会把包含用户信息的数据放到payload中，如下例：

{

    "sub": "1234567890",

    "name": "zNuyoah",

    "admin": true

}

注意：默认情况下JWT是未加密的，因为只是采用base64算法，拿到JWT字符串后可以转换回原本的JSON数据，任何人都可以解读其内容，因此不要构建隐私信息字段，比如用户的密码一定不能保存到JWT中，以防止信息泄露。

JWT只是适合在网络中传输一些非敏感的信息。

3.3、Signature

签名哈希部分是对上面两部分数据签名，需要使用base64编码后的header和payload数据，通过指定的算法生成哈希，以确保数据不会被篡改。首先，需要指定一个密钥（secret）。该密码仅仅为保存在服务器中，并且不能向用户公开。然后，使用header中指定的签名算法（默认情况下为HMAC SHA256）根据以下公式生成签名

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

总结：JWT由 Header加密.Payload加密.(Header加密.Payload加密)再加密三部分组成

注意：JWT每部分的作用，在服务端接收到客户端发送过来的JWT token之后：
        1、header和payload可以直接利用base64解码出原文，从header中获取哈希签名的算法，从payload中获取有效数据。
        2、signature由于使用了不可逆的加密算法，无法解码出原文，它的作用是校验token有没有被篡改。服务端获取header中的加密算法之后，利用该算法加上secretKey对header、payload进行加密，比对加密后的数据和客户端发送过来的是否一致。

        注意：secretKey只能保存在服务端，而且对于不同的加密算法其含义有所不同，一般对于MD5类型的摘要加密算法，secretKey实际上代表的是盐值。

四、总结

4.1、什么是JWT

JSON Web Token，通过数字签名的方式，以JSON对象为载体，在不同的服务终端之间安全的传输信息。

4.2、JWT有什么用

JWT最常用的场景就是授权认证，一旦用户登录，后续每个请求都将包含JWT，系统每次处理用户请求之前，都要进行JWT安全校验，通过之后再进行处理

4.3、JWT组成

JWT由三部分组成，用 . 拼接

1.Header

{

    "alg": "HS256",

    "typ": "JWT"

}

2.Payload

{

    "sub": "1234567890",

    "name": "zNuyoah",

    "admin": true

}

3.Signature

var encodedString = base64UrlEncode(header) + '.' + base64UrlEncode(payload);

var Signature = HMACSHA256(encodedString, 'secret');

五、简单代码演示

1、POM

<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt</artifactId>
    <version>0.9.1</version>
</dependency>

2、测试 - 加密（重新生成的都不一样的，因为里面包含超时时间，每次执行的时间都不是同一时刻）

@Test
public void test() {
    JwtBuilder builder = Jwts.builder();
    String jwtToken = builder
            // header
            .setHeaderParam("typ", "JWT")
            .setHeaderParam("alg", "HS256")
            // payload
            .claim("username", "zNuyoah")
            .claim("role", "admin")
            // 设置主题
            .setSubject("admin-test")
            // 设置过期时间 - 一天
            .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + (1000 * 60 * 60 * 24)))
            .setId(UUID.randomUUID().toString())
            // signature
            .signWith(SignatureAlgorithm.HS256, "admin")
            .compact();

    System.out.println(jwtToken);
}

3、测试 - 解密

@Test
public void parse() {
    String token = "*************"; 
    JwtParser parser = Jwts.parser();
    Jws<Claims> claimsJws = parser.setSigningKey("admin").parseClaimsJws(token);

    Claims claims = claimsJws.getBody();
    System.out.println(claims.get("username"));     // zNuyoah
    System.out.println(claims.get("role"));         // admin
    System.out.println(claims.getId());             
    System.out.println(claims.getSubject());        // admin-test
    System.out.println(claims.getExpiration());     
}

六、实际开发应用

在Spring Boot项目中，结合JWT和Redis进行用户身份验证和会话管理是一种非常高效和安全的做法。

步骤 1: 生成并存储会话信息

        在用户成功登录后，服务器生成一个随机的Token（如使用UUID）。这个Token作为用户会话的唯一标识，并将其与用户的详细信息一起存入Redis中。这里，Redis起到了存储用户会话状态的作用，有效地替代了传统的session机制。设置适当的过期时间后，这个Token将在一定时间后自动失效，保障了安全性。

实现提示:

使用UUID.randomUUID().toString()生成随机Token。
使用Spring Data Redis或Jedis等库将Token和用户信息存储在Redis中。
设置Token的过期时间以控制会话有效期。

步骤 2: 生成JWT

        将步骤1中生成的Token放入JWT的payload中，然后生成JWT。这个JWT将作为用户的身份凭证，传送给前端。

实现提示:

在JWT的payload中加入Token作为自定义声明（claim），例如
{ "token": "<random_token>" }
使用库如jjwt或java-jwt来生成JWT。
确保选择合适的加密算法和秘钥保护JWT的完整性和安全性。

步骤 3: 前端存储及传输JWT

        前端在收到JWT后，通常会存储在本地存储（如localStorage或sessionStorage）中。每次发送请求到服务器时，将JWT添加到HTTP请求的Authorization头部中，通常采用Bearer <token>格式。

实现提示:

确保前端在发送请求时正确地设置Authorization头部。
前端应该处理JWT过期或无效的情况，可能需要重新登录或刷新Token。

步骤 4: 后端验证JWT和会话

        后端需要验证每个请求中的JWT的合法性。这包括解析JWT，验证签名，检查Token有效性等。验证通过后，从JWT解析出随机Token，并使用它从Redis中查询用户信息。

实现提示:

实现一个Spring Security的过滤器或者使用@RestControllerAdvice来处理所有进入的请求，从中解析和验证JWT。
如果Redis中可以查询到与Token对应的用户信息，则认为用户已经登录，继续处理请求；如果查不到，返回错误响应，如401 Unauthorized。
考虑JWT或Token在Redis中过期的情况，合理处理这些异常情况。

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;
    }
}

七、小记

在实际开发中需要用下列手段来增加JWT的安全性：

1. 使用HTTPS传输

        使用HTTPS可以有效防止中间人攻击（MITM），这种攻击方式包括但不限于网络监听和数据劫持。HTTPS通过对所有传输数据进行加密，确保数据在传输过程中的机密性和完整性。即使数据被拦截，攻击者也无法直接读取或篡改加密的内容。

实施方法:

在服务器配置SSL/TLS证书，强制使用HTTPS连接。
确保所有API端点只通过HTTPS提供服务。
配置HTTP严格传输安全（HSTS）来防止SSL剥离攻击。

2. 保证服务器的安全

        服务器的安全是保护JWT安全的关键，因为JWT的签名密钥必须保持绝对的安全。如果服务器被攻破，攻击者可能获得签名密钥，从而可以伪造有效的JWT。

实施方法:

定期更新和打补丁操作系统和应用软件。
使用防火墙、入侵检测系统（IDS）和入侵防御系统（IPS）来防护服务器。
对服务器进行安全配置，限制不必要的服务和访问。
定期进行安全审计和渗透测试。

3. 定期更换哈希签名密钥

        定期更换密钥可以降低密钥被破解的风险。如果密钥泄露或者被破解，定期更换密钥可以限制攻击者使用旧密钥造成的损害。

实施方法:

设计一个密钥轮换计划，例如每三个月更换一次密钥。
确保密钥更换过程中，旧密钥和新密钥在一段时间内共存，以确保在过渡期间不会因密钥更新而影响用户体验。
使用密钥管理系统来保护和管理密钥，确保密钥的安全性和更换的自动化。

4. 增加JWT的复杂性和安全性

        除了上述措施，还可以通过增加JWT自身的复杂性和安全性来提高整体的安全水平。

实施方法:

使用较长的密钥长度，比如使用256位以上的密钥，以提高破解的难度。
对于非常敏感的应用，可以考虑对JWT的payload部分进行加密。
限制JWT的有效期，设置较短的过期时间，减少JWT被滥用的风险。