JWT全面解读、详细使用步骤

现在，JSON Web Tokens (JWT) 是非常流行的。尤其是 Web 开发领域。

流行
安全
稳定
易用
支持 JSON

所有这些因素，令 JWT 名声大振。

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JSON Web Token（JWT）是目前最流行的跨域身份验证解决方案。今天给大家介绍JWT的原理和用法。

1.跨域身份验证

Internet服务无法与用户身份验证分开。一般过程如下。

1.用户向服务器发送用户名和密码。

2.验证服务器后，相关数据（如用户角色，登录时间等）将保存在当前会话中。

3.服务器向用户返回session_id，session信息都会写入到用户的Cookie。

4.用户的每个后续请求都将通过在Cookie中取出session_id传给服务器。

5.服务器收到session_id并对比之前保存的数据，确认用户的身份。

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这种模式最大的问题是，没有分布式架构，无法支持横向扩展。如果使用一个服务器，该模式完全没有问题。但是，如果它是服务器群集或面向服务的跨域体系结构的话，则需要一个统一的session数据库库来保存会话数据实现共享，这样负载均衡下的每个服务器才可以正确的验证用户身份。

例如，举一个实际中常见的单点登陆的需求：站点A和站点B提供同一公司的相关服务。现在要求用户只需要登录其中一个网站，然后它就会自动登录到另一个网站。怎么做？

一种解决方案是听过持久化session数据，写入数据库或文件持久层等。收到请求后，验证服务从持久层请求数据。该解决方案的优点在于架构清晰，而缺点是架构修改比较费劲，整个服务的验证逻辑层都需要重写，工作量相对较大。而且由于依赖于持久层的数据库或者问题系统，会有单点风险，如果持久层失败，整个认证体系都会挂掉。

image

本文给大家介绍另外一种灵活的解决方案，通过客户端保存数据，而服务器根本不保存会话数据，每个请求都被发送回服务器。 JWT是这种解决方案的代表。

image

JWT官网有一张图描述了JWT的认证过程：

jwt-diagram.png

2. JWT的原则

JWT的原则是在服务器身份验证之后，将生成一个JSON对象并将其发送回用户，如下所示。

{

"UserName": "Chongchong",

"Role": "Admin",

"Expire": "2018-08-08 20:15:56"

}

之后，当用户与服务器通信时，客户在请求中发回JSON对象。服务器仅依赖于这个JSON对象来标识用户。为了防止用户篡改数据，服务器将在生成对象时添加签名（有关详细信息，请参阅下文）。

服务器不保存任何会话数据，即服务器变为无状态，使其更容易扩展。

3. JWT的数据结构

典型的，一个JWT看起来如下图。

改对象为一个很长的字符串，字符之间通过"."分隔符分为三个子串。注意JWT对象为一个长字串，各字串之间也没有换行符，此处为了演示需要，我们特意分行并用不同颜色表示了。每一个子串表示了一个功能块，总共有以下三个部分：

JWT的三个部分如下。JWT头、有效载荷和签名，将它们写成一行如下。

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我们将在下面介绍这三个部分。

3.1 JWT头

JWT头部分是一个描述JWT元数据的JSON对象，通常如下所示。

{

"alg": "HS256",

"typ": "JWT"

}

在上面的代码中，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。

3.2 有效载荷

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，如下例：

{

"sub": "1234567890",

"name": "wanglihong",

"admin": true

}

请注意，默认情况下JWT是未加密的，任何人都可以解读其内容，因此不要构建隐私信息字段，存放保密信息，以防止信息泄露。

JSON对象也使用Base64 URL算法转换为字符串保存。

3.3签名哈希

签名哈希部分是对上面两部分数据签名，通过指定的算法生成哈希，以确保数据不会被篡改。

首先，需要指定一个密码（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，使用标头中指定的签名算法（默认情况下为HMAC SHA256）根据以下公式生成签名。

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

secret)

在计算出签名哈希后，JWT头，有效载荷和签名哈希的三个部分组合成一个字符串，每个部分用"."分隔，就构成整个JWT对象。

3.4 Base64URL算法

如前所述，JWT头和有效载荷序列化的算法都用到了Base64URL。该算法和常见Base64算法类似，稍有差别。

作为令牌的JWT可以放在URL中（例如api.example/?token=xxx）。 Base64中用的三个字符是"+"，"/"和"="，由于在URL中有特殊含义，因此Base64URL中对他们做了替换："="去掉，"+"用"-"替换，"/"用"_"替换，这就是Base64URL算法，很简单把。

4. JWT的用法

客户端接收服务器返回的JWT，将其存储在Cookie或localStorage中。

此后，客户端将在与服务器交互中都会带JWT。如果将它存储在Cookie中，就可以自动发送，但是不会跨域，因此一般是将它放入HTTP请求的Header Authorization字段中。

Authorization: Bearer

当跨域时，也可以将JWT被放置于POST请求的数据主体中。

5. JWT问题和趋势

1、JWT默认不加密，但可以加密。生成原始令牌后，可以使用改令牌再次对其进行加密。

2、当JWT未加密方法是，一些私密数据无法通过JWT传输。

3、JWT不仅可用于认证，还可用于信息交换。善用JWT有助于减少服务器请求数据库的次数。

4、JWT的最大缺点是服务器不保存会话状态，所以在使用期间不可能取消令牌或更改令牌的权限。也就是说，一旦JWT签发，在有效期内将会一直有效。

5、JWT本身包含认证信息，因此一旦信息泄露，任何人都可以获得令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT的有效期不宜设置太长。对于某些重要操作，用户在使用时应该每次都进行进行身份验证。

6、为了减少盗用和窃取，JWT不建议使用HTTP协议来传输代码，而是使用加密的HTTPS协议进行传输。

JWT基本使用

在pom.xml引入java-jwt

<dependency>
    <groupId>com.auth0</groupId>
    <artifactId>java-jwt</artifactId>
    <version>3.4.0</version>
</dependency>

Gradle下依赖

compile 'com.auth0:java-jwt:3.4.0'

示例如下：

package yui.ui.web.sys.controller;

import java.util.Calendar;
import java.util.Date;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

import com.alibaba.druid.util.StringUtils;
import com.auth0.jwt.JWT;
import com.auth0.jwt.JWTVerifier;
import com.auth0.jwt.algorithms.Algorithm;
import com.auth0.jwt.interfaces.Claim;
import com.auth0.jwt.interfaces.DecodedJWT;

public class Test {
    /**
     * APP登录Token的生成和解析
     * 
     */

    /** token秘钥，请勿泄露，请勿随便修改 backups:JKKLJOoasdlfj */
    public static final String SECRET = "JKKLJOoasdlfj";
    /** token 过期时间: 10天 */
    public static final int calendarField = Calendar.DATE;
    public static final int calendarInterval = 10;

    /**
     * JWT生成Token.<br/>
     * 
     * JWT构成: header, payload, signature
     * 
     * @param user_id
     *            登录成功后用户user_id, 参数user_id不可传空
     */
    public static String createToken(Long user_id) throws Exception {
        Date iatDate = new Date();
        // expire time
        Calendar nowTime = Calendar.getInstance();
        nowTime.add(calendarField, calendarInterval);
        Date expiresDate = nowTime.getTime();

        // header Map
        Map<String, Object> map = new HashMap<>();
        map.put("alg", "HS256");
        map.put("typ", "JWT");

        // build token
        // param backups {iss:Service, aud:APP}
        String token = JWT.create().withHeader(map) // header
                .withClaim("iss", "Service") // payload
                .withClaim("aud", "APP").withClaim("user_id", null == user_id ? null : user_id.toString())
                .withIssuedAt(iatDate) // sign time
                .withExpiresAt(expiresDate) // expire time
                .sign(Algorithm.HMAC256(SECRET)); // signature

        return token;
    }

    /**
     * 解密Token
     * 
     * @param token
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static Map<String, Claim> verifyToken(String token) {
        DecodedJWT jwt = null;
        try {
            JWTVerifier verifier = JWT.require(Algorithm.HMAC256(SECRET)).build();
            jwt = verifier.verify(token);
        } catch (Exception e) {
            // e.printStackTrace();
            // token 校验失败, 抛出Token验证非法异常
        }
        return jwt.getClaims();
    }

    /**
     * 根据Token获取user_id
     * 
     * @param token
     * @return user_id
     */
    public static Long getAppUID(String token) {
        Map<String, Claim> claims = verifyToken(token);
        Claim user_id_claim = claims.get("user_id");
        if (null == user_id_claim || StringUtils.isEmpty(user_id_claim.asString())) {
            // token 校验失败, 抛出Token验证非法异常
        }
        return Long.valueOf(user_id_claim.asString());
    }
}

最终存放的数据在JWT内部的实体claims里。它是存放数据的地方

概念介绍

JWT消息构成

一个token分3部分，按顺序为

头部（header)
其为载荷（payload)
签证（signature)
由三部分生成token
3部分之间用“.”号做分隔。例如eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c
验证koten地址

头部

Jwt的头部承载两部分信息：

声明类型，这里是jwt
声明加密的算法通常直接使用 HMAC SHA256
JWT里验证和签名使用的算法，可选择下面的。

JWS	算法名称	描述
HS256	HMAC256	HMAC with SHA-256
HS384	HMAC384	HMAC with SHA-384
HS512	HMAC512	HMAC with SHA-512
RS256	RSA256	RSASSA-PKCS1-v1_5 with SHA-256
RS384	RSA384	RSASSA-PKCS1-v1_5 with SHA-384
RS512	RSA512	RSASSA-PKCS1-v1_5 with SHA-512
ES256	ECDSA256	ECDSA with curve P-256 and SHA-256
ES384	ECDSA384	ECDSA with curve P-384 and SHA-384
ES512	ECDSA512	ECDSA with curve P-521 and SHA-512

使用代码如下

// header Map
Map<String, Object> map = new HashMap<>();
map.put("alg", "HS256");
map.put("typ", "JWT");

playload

载荷就是存放有效信息的地方。基本上填2种类型数据

-标准中注册的声明的数据
-自定义数据
由这2部分内部做base64加密。最张数据进入JWT的chaims里存放。

标准中注册的声明 (建议但不强制使用)

iss: jwt签发者

sub: jwt所面向的用户

aud: 接收jwt的一方

exp: jwt的过期时间，这个过期时间必须要大于签发时间

nbf: 定义在什么时间之前，该jwt都是不可用的.

iat: jwt的签发时间

jti: jwt的唯一身份标识，主要用来作为一次性token,从而回避重放攻击。

使用方法

 JWT.create().withHeader(map) // header
                .withClaim("iss", "Service") // payload
                .withClaim("aud", "APP")
                .withIssuedAt(iatDate) // sign time
                .withExpiresAt(expiresDate) // expire time

自定义数据

这个就比较简单，存放我们想放在token中存放的key-value值
使用方法

 JWT.create().withHeader(map) // header
                .withClaim("name", "cy") // payload
                .withClaim("user_id", "11222");

签名signature

jwt的第三部分是一个签证信息，这个签证信息算法如下：
base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload)+your-256-bit-secret
这个部分需要base64加密后的header和base64加密后的payload使用.连接组成的字符串，然后通过header中声明的加密方式进行加盐secret组合加密，然后就构成了jwt的第三部分。

基本上至此，JWT的API相关知识已经学完了，但是API不够有好，不停的用withClaim放数据。不够友好。下面推荐一款框架JJWT，相当于对JWT的实现框架

JJWT

它是为了更友好在JVM上使用JWT，是基于JWT, JWS, JWE, JWK框架的java实现。
参考git地址

引入Maven依赖

<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt</artifactId>
    <version>0.7.0</version>
</dependency>

Gradle:

dependencies {
    compile 'io.jsonwebtoken:jjwt:0.9.0'
}

新建JwtConstants 类，用于token的chaims保存有效信息字段名

public class JwtConstants {
    public static final String JWT_KEY_USER_ID = "uid";
}

新建JwtInfo 类，用于token的chaims保存有效信息

public class JwtInfo {

    private String uid;

    public JwtInfo(String uid) {
        this.uid = uid;
    }

    public String getUid() {
        return uid;
    }

    public void setUid(String uid) {
        this.uid = uid;
    }
}

新建JwtTokenUtils 工具类，用于token的生成和解析

package com.yibo.user.utils;

import io.jsonwebtoken.Claims;
import io.jsonwebtoken.Jws;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;
import org.joda.time.DateTime;

import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import javax.xml.bind.DatatypeConverter;
import java.security.Key;

/**
 * @author: huangyibo
 * @Date: 2019/1/13 22:37
 * @Description: 生成token的工具类
 */
public class JwtTokenUtils {

    private static Key getKeyInstance(){
        SignatureAlgorithm signatureAlgorithm = SignatureAlgorithm.HS256;
        byte[] bytes = DatatypeConverter.parseBase64Binary("mall-user");
        return new SecretKeySpec(bytes,signatureAlgorithm.getJcaName());
    }

    /**
     * 生成token的方法
     * @param jwtInfo
     * @param expire
     * @return
     */
    public static String generatorToken(JwtInfo jwtInfo,int expire){
        return Jwts.builder().claim(JwtConstants.JWT_KEY_USER_ID,jwtInfo.getUid())
                .setExpiration(DateTime.now().plusSeconds(expire).toDate())
                .signWith(SignatureAlgorithm.HS256,getKeyInstance()).compact();
    }

    /**
     * 根据token获取token中的信息
     * @param token
     * @return
     */
    public static JwtInfo getTokenInfo(String token){
        Jws<Claims> claimsJws = Jwts.parser().setSigningKey(getKeyInstance()).parseClaimsJws(token);
        Claims claims = claimsJws.getBody();
        return new JwtInfo(claims.get(JwtConstants.JWT_KEY_USER_ID).toString());
    }
}

新建JwtTokenService服务类，调用其方法即可进行认证和授权使用。

@Component
public class JwtTokenService {

    /**
     * token过期时间
     */
    private int expire = 6000;

    public String generatorToken(JwtInfo jwtInfo){
        return JwtTokenUtils.generatorToken(jwtInfo,expire);
    }

    public JwtInfo stringInfoFromToken(String token){
        return JwtTokenUtils.getTokenInfo(token);
    }
}

至此JWT的具体使用详细介绍完毕，在项目中建议使用JJWT，因为其API友好。

上面将token中的载荷放在chaims中，其实chaims是JWT内部维持的一个存放有效信息的地方，不论使用任何API，最终都使用chaims保存信息。
setClaims有2个重载

JwtBuilder setClaims(Claims claims);
JwtBuilder setClaims(Map<String, Object> claims);
不能就是说，我们也可以直接传入map值对象。

扩展阅读：
签发的用户认证token超时刷新策略：https://blog.csdn.net/sinat_25235033/article/details/80324006

讲真，别再使用JWT了：https://www.jianshu.com/p/af8360b83a9f

参考：
https://blog.csdn.net/achenyuan/article/details/80829401

https://www.cnblogs.com/zaixiuxing/p/6005968.html