JWT详解

来自宇宙的曹先生2023-11-03 11:26

1. 什么是JWT

JWT 代表 JSON Web Token。它是一种开放的标准（RFC 7519），用于在各方之间安全地传输信息作为 JSON 对象。JWT 可以被用作认证方式，以及在不同系统之间安全地传递声明信息。

JWT 由三部分组成，它们用点号分隔开来：

  1. Header（头部）：包含了令牌的类型（即 JWT）和所使用的签名算法类型，例如 HMAC SHA256 或 RSA。
  2. Payload（负载）：存放实际传输的信息，包括声明（claims）。声明分为三种：注册的声明（reserved claims）、公开的声明（public claims）和私有的声明（private claims）。其中包含关于用户的信息或其他需要传递的数据。
  3. Signature（签名）：将编码后的头部、编码后的负载以及一个密钥进行加密生成的签名，用于验证消息的完整性和验证发送者的身份。

JWT 可以用于身份验证和授权，因为它是经过签名的，如果有人试图修改其中任何一部分，接收方就会意识到令牌已经被篡改。JWT 通常被用于网络应用程序的安全通信，包括单点登录系统（SSO）和 API 身份验证。

2. JWT的特点

SON Web Token（JWT）具有以下特点：

  1. 轻量级和可移植性： JWT 是一种轻量级的数据格式，易于传输和处理。它可以在不同系统之间传递，包括跨域和跨平台的通信，因为它是基于 JSON 格式的。

  2. 自包含（Self-contained）： JWT 负载部分中携带了所需的信息，因此它是自包含的。这意味着令牌中的信息足够描述用户的身份和权限，而不需要再查询数据库。

  3. 安全性： JWT 可以使用签名进行验证，确保数据未被篡改。签名机制可以使用对称加密或非对称加密。这有助于验证消息的完整性并且确认发送者的身份。

  4. 灵活性： 负载部分中的声明是可扩展的，可以自定义需要的字段，允许在应用中传递特定的信息。

  5. 分布式身份验证： JWT 在分布式系统中广泛用于身份验证和授权。一旦用户完成认证流程并且生成了 JWT，这个令牌可以在不同服务和应用之间传递和验证，而无需重复认证。

  6. 无状态性： 由于 JWT 包含了所有必要的信息，服务端不需要保存会话状态。这使得服务端更具伸缩性，并且使得微服务和分布式系统更容易管理。

尽管 JWT 具有这些优点，但是在使用时需要小心确保安全性，特别是在选择正确的加密算法和存储敏感信息时。

3. JWT的应用场景

JWT（JSON Web Tokens）由于其安全性、可扩展性和适应性，在许多不同的应用场景中被广泛使用。以下是一些常见的应用场景：

  1. 身份认证（Authentication）： JWT 可用于用户身份验证。用户登录后，服务器生成一个 JWT，其中包含用户信息，并将其返回给客户端。客户端在后续请求中携带 JWT，并且服务器会验证令牌的有效性来授权用户访问特定的资源。

  2. 单点登录（SSO）： JWT 可以用作单点登录系统的一部分，允许用户通过一个身份验证流程访问多个相关系统而无需重复登录。用户在完成认证后会得到一个 JWT，之后可以在各个系统之间共享并验证。

  3. 授权（Authorization）： JWT 可用于授权和访问控制。它可以包含用户的权限信息，帮助确定用户可以访问哪些资源和执行哪些操作。

  4. Web应用程序： 在 Web 应用中，JWT 可以用于前后端之间的安全通信。它可以作为用户身份验证的手段，并帮助前端与后端进行安全的 API 调用。

  5. 移动应用程序： JWT 可以作为移动应用程序中用户认证和访问后端服务的一种方式。它使移动应用能够在用户身份验证后进行安全的通信。

  6. 微服务架构： 在微服务架构中，JWT 可以用于在不同服务之间传递身份信息和声明。这样，微服务可以验证用户并控制访问权限，而无需传统的会话管理。

  7. 信息交换： JWT 可以在安全可信的环境下用于信息交换，例如在各种系统之间安全地传递声明和信息。

  8. 重置密码： JWT 可以用于生成安全的重置密码链接。在用户请求密码重置时，服务端可以生成包含重置信息的 JWT 并将其发送给用户。用户可以使用该令牌来验证重置密码的请求。

总之，JWT 适用于许多场景，特别是需要安全、可移植性和无状态性的情况。然而，使用 JWT 时应考虑安全最佳实践，例如合适的密钥管理、正确的算法选择和敏感信息的处理。

4. 举例说明

4.1 使用 JWT 完成身份认证

当使用 JWT 完成身份认证时，通常包括三个主要步骤：

  1. 生成 JWT： 用户登录时，服务器验证其凭据，然后生成一个 JWT，其中包含用户的一些信息（如用户 ID）和相关的声明。这个 JWT 将在之后的请求中用于验证用户身份。

  2. 发送 JWT： 服务器将生成的 JWT 发送回客户端，通常放在 HTTP 响应的头部或作为响应主体中的一部分。

  3. 验证 JWT： 客户端在后续的请求中将 JWT 放在请求头部中，并发送到服务器。服务器接收请求后，验证 JWT 的签名，并从中解析出用户信息以确认身份。

以下是一个使用 Java 语言实现 JWT 身份认证的简单示例，使用了 JJWT 库（Java JSON Web Token）。请确保你已经添加了 JJWT 依赖到你的 Java 项目中。

java 复制代码 
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;
import io.jsonwebtoken.security.Keys;

import javax.crypto.SecretKey;
import java.util.Date;

public class JwtExample {

    // 此处应该是你的密钥，请务必保护好你的密钥
    private static final String SECRET_KEY = "your_secret_key_here";

    public static String generateJWT(String userId) {
        // 设置过期时间为 1 小时
        long expirationTime = 3600000; // 1 hour
        Date now = new Date();
        Date expiration = new Date(now.getTime() + expirationTime);

        SecretKey key = Keys.hmacShaKeyFor(SECRET_KEY.getBytes());

        String jwt = Jwts.builder()
                .setSubject(userId)
                .setIssuedAt(now)
                .setExpiration(expiration)
                .signWith(key, SignatureAlgorithm.HS256)
                .compact();

        return jwt;
    }

    public static String verifyAndExtractUserId(String token) {
        try {
            SecretKey key = Keys.hmacShaKeyFor(SECRET_KEY.getBytes());

            String userId = Jwts.parserBuilder()
                    .setSigningKey(key)
                    .build()
                    .parseClaimsJws(token)
                    .getBody()
                    .getSubject();

            return userId;
        } catch (Exception e) {
            // 验证失败
            return null;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 生成 JWT
        String userId = "user123";
        String jwt = generateJWT(userId);
        System.out.println("Generated JWT: " + jwt);

        // 模拟验证 JWT
        String extractedUserId = verifyAndExtractUserId(jwt);
        if (extractedUserId != null) {
            System.out.println("Valid JWT. Extracted user ID: " + extractedUserId);
        } else {
            System.out.println("Invalid JWT or expired.");
        }
    }
}

请注意，这只是一个简单的示例。在实际应用中，你需要处理更多的情况，比如 JWT 的存储和传递，密钥的安全管理，以及更多的身份验证和授权逻辑。

4.2 使用JWT完成授权功能

在 JWT 中完成授权功能通常涉及在生成令牌时将用户的权限信息嵌入，并在接收到请求时验证用户的权限。下面是一个简单的 Java 代码示例，演示如何使用 JWT 完成授权功能。

假设你有一个用户对象 User，其中包含用户的 ID、用户名和权限信息。在这个示例中，我们使用 JJWT 库创建包含用户权限信息的 JWT。

java 复制代码 
import io.jsonwebtoken.Claims;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;
import io.jsonwebtoken.security.Keys;

import javax.crypto.SecretKey;
import java.util.Date;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class JwtAuthorizationExample {

    // 此处应该是你的密钥，请务必保护好你的密钥
    private static final String SECRET_KEY = "your_secret_key_here";

    // 模拟用户类
    static class User {
        String id;
        String username;
        Map<String, Boolean> permissions;

        public User(String id, String username, Map<String, Boolean> permissions) {
            this.id = id;
            this.username = username;
            this.permissions = permissions;
        }
    }

    public static String generateJWT(User user) {
        long expirationTime = 3600000; // 1 hour
        Date now = new Date();
        Date expiration = new Date(now.getTime() + expirationTime);

        SecretKey key = Keys.hmacShaKeyFor(SECRET_KEY.getBytes());

        Map<String, Object> claims = new HashMap<>();
        claims.put("id", user.id);
        claims.put("username", user.username);
        claims.put("permissions", user.permissions);

        String jwt = Jwts.builder()
                .setClaims(claims)
                .setIssuedAt(now)
                .setExpiration(expiration)
                .signWith(key, SignatureAlgorithm.HS256)
                .compact();

        return jwt;
    }

    public static User verifyAndExtractUser(String token) {
        try {
            SecretKey key = Keys.hmacShaKeyFor(SECRET_KEY.getBytes());

            Claims claims = Jwts.parserBuilder()
                    .setSigningKey(key)
                    .build()
                    .parseClaimsJws(token)
                    .getBody();

            String id = (String) claims.get("id");
            String username = (String) claims.get("username");
            Map<String, Boolean> permissions = (Map<String, Boolean>) claims.get("permissions");

            return new User(id, username, permissions);
        } catch (Exception e) {
            // 验证失败
            return null;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 模拟用户权限信息
        Map<String, Boolean> permissions = new HashMap<>();
        permissions.put("read", true);
        permissions.put("write", false);

        User user = new User("123", "john_doe", permissions);

        // 生成 JWT 包含用户权限
        String jwt = generateJWT(user);
        System.out.println("Generated JWT: " + jwt);

        // 模拟验证 JWT，并提取用户信息
        User extractedUser = verifyAndExtractUser(jwt);
        if (extractedUser != null) {
            System.out.println("Valid JWT. Extracted user: " + extractedUser.username);
            System.out.println("User permissions: " + extractedUser.permissions);
        } else {
            System.out.println("Invalid JWT or expired.");
        }
    }
}

这个示例中，User 类包含了用户的 ID、用户名和权限信息。generateJWT 方法用于生成 JWT，其中包含用户权限信息。verifyAndExtractUser 方法用于验证 JWT 并提取用户信息。请注意，这只是一个简单的演示示例，实际应用中可能需要更多的逻辑和安全措施。

5. 其它认证方式

除了 JSON Web Token（JWT）之外，还有许多其他认证方式。以下是一些常见的认证方式和它们与 JWT 的简要对比：

  1. 基于会话的认证（Session-Based Authentication）：

    JWT： 无状态、客户端存储令牌，服务器无需保存状态。

    基于会话： 需要在服务器端保存会话状态，一般通过将会话 ID 存储在服务器上或使用数据库。

  2. OAuth 2.0：

    JWT： 可能作为 OAuth 2.0 的令牌传输机制之一，提供安全的访问和授权。

    OAuth 2.0： 是一个授权框架，不是一种具体的认证方式。它允许用户授权第三方应用访问他们的资源，而 JWT 可以被用作 OAuth 2.0 令牌的一种实现。

  3. 基于 Cookie 的认证：

    JWT： 通常不使用 Cookie，而是将令牌存储在客户端的本地存储或内存中。

    基于 Cookie： 会话令牌通常存储在客户端的 Cookie 中，由浏览器自动管理。

  4. SAML（Security Assertion Markup Language）：

    JWT： 轻量、更适合用于移动应用和分布式系统。

    SAML： 用于基于 XML 的身份验证和授权交换，通常用于企业级单点登录系统（SSO）。

  5. HTTP Basic 认证：

    JWT： 通过令牌传递信息，支持更多的定制化和声明。

    HTTP Basic 认证： 要求在每个请求中传递用户名和密码，使用基本的 Base64 编码，安全性较差。

对于选择合适的认证方式，需要根据具体的使用场景和需求来考虑。JWT 适合于无状态和分布式环境，因为它提供了轻量级、自包含和安全的特性。而其他认证方式可能在不同的环境和需求下更为合适，比如在需要传统的会话管理或企业级 SSO 解决方案的情况下。

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