JWT令牌技术

楠枬2024-06-10 11:07

目录

什么是令牌技术？

为什么要使用令牌技术？

JWT令牌

JWT令牌的生成和校验

令牌的优缺点

什么是令牌技术？

令牌技术： 是一种用于身份验证 和授权的方法，常用于网络安全和信息技术领域。在计算机系统中，令牌是一种用于证明用户身份或授权访问的凭证，可以是基于硬件的安全令牌，也可以是基于软件的生成代码或数据。令牌技术允许用户获取一个特定的令牌后，在之后的通信中使用该令牌来证明自己的身份或获得授权。

为什么要使用令牌技术？

我们通过一个例子：用户登录 来进一步理解令牌技术的使用

在实现用户登录时，我们可以使用 cookie 和 session 来验证用户身份：

  1. 用户提交用户名和密码后，登录页面将用户名、密码提交给服务器

  2. 服务器验证用户名密码是否正确

  3. 若验证成功，服务器创建一个 Session，并将SessionId 存储在 Cookie中，将用户身份信息存储在Session中

  4. 在之后的请求中，用户的游览器都会发送包含SessionId 的 Cookie 到服务器

  5. 服务器根据这个SessionId 来检索 Session 数据，并根据其中存储的身份信息来验证用户的身份

使用 cookie 和 session 实现身份验证时，需要服务器存储用户的身份信息到会话中，

然而，此时就会存在问题：集群环境下无法使用Session

对于开发的项目，当部署在一台机器上时，容易发送单点故障（当该服务器出现故障或需要维护时，所有用户的会话数据都会丢失，导致所有用户需要重新登录），因此，在通常情况下，一个Web应用会部署在多个服务器上，通过Nginx等实现负载均衡，此时来自用户的请求就会被分配到不同的服务器上

若使用Session进行会话跟踪，可能出现一些情况：

  1. 用户登录：用户登录请求，经过负载均衡，把请求转给了第一台服务器，第一台服务器进行账号密码验证，验证成功后，将Session存放在了第一台服务器上

  2. 查询操作：用户登录成功之后，携带Cookie（里面有SessionId）继续查询操作，此时请求转发到了第二台机器，第二台机器会进行权限验证操作（通过SessionId验证用户是否登录），此时由于第二台机器上未存储该用户的Session，就会出现问题

为了解决上述问题，我们可以将 Session 存储在可靠的持久化存储中，如数据库或缓存服务

但此时就需要存储大量用户数据信息

为了解决上述问题，我们可以使用令牌技术：

  1. 当用户提交账号和密码后，服务器进行校验

  2. 校验成功，生成令牌（Token），将其返回给客户端

  3. 客户端携带 Token 再次进行访问，服务器对 Token 进行校验

  4. 服务器校验 Token 的真假，若为真，则提供服务

此时，由客户端存储令牌，减轻了服务器的存储压力，且在集群环境下也能进行认证

我们再通过一个生活中的例子进一步理解令牌技术：

令牌就类似于我们的身份证：

用户提供户口本等信息，交由公安局进行校验，公安局校验成功后，发放身份证

用户保存身份证

用户上学、出行、旅游等携带身份证

酒店等通过公安局提供的专用设备核验身份证真假，若为真，则提供服务

JWT令牌

我们可以通过令牌来解决上述问题：

**令牌（Token）**的本质就是一个字符串，其实现方式很多，如JWT令牌、刷新令牌、Bearer令牌等

在这里，我们学习JWT令牌

**JWT令牌：JWT（JSON Web Token）**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 可以通过数字签名或加密来验证其可靠性，通常用于在客户端和服务器之间安全地传递身份验证信息

JWT官网：JSON Web Tokens - jwt.io

JWT由三部分组成，分别是头部（Header） 、载荷（Payload） 和签名（Signature），每个部分之间使用 . 分割

头部（Header） ：包括令牌类型 （即JWT）和使用的哈希算法（如 HMAC、SHA256）

载荷（Payload）：存放有效信息，其中是一些自定义的内容（如：{"userName": "zhangsan"}），也可以存储JWT提供的默认字段，如 exp（过期时间戳）等

JWT指定了七个默认字段：

iss（Issuer）：该JWT的签发者

sub（Subject）：令牌的主题，表示该JWT的主体，即该JWT所代表的用户或实体

aud（Audience）：JWT的受众，该JWT的使用对象

exp（Expiration Time）：JWT的过期时间，表示该JWT的有效期限，超过该时间后JWT将不再可用

nbf（Not Before）：JWT的生效时间，在该时间之前，该JWT都是不可用的

iat（Issued At）：JWT的签发时间

jti（JWT ID）：JWT的唯一标识符，表示该JWT的唯一性，可用于防止重放攻击

签名（Signature） ：用于验证消息的完整性和可靠性，防止JWT内容被篡改，确保安全性

签名用于验证消息的完整性和可靠性，JWT中任何一个字符被篡改，整个令牌都会校验失败

但其不确保其保密性，即不能防止被解析，也就是任何人都可以看到JWT中的信息（就如身份证，任何人都可以看到身份证上的信息，但不能篡改身份证上的信息）

因此 JWT令牌不适合存放敏感信息（如用户密码等）

当没有签名时，我们仍然能够看到JWT中的信息，即令牌不保证保密性

在了解了JWT令牌后，我们来学习JWT令牌的生成和校验

JWT令牌的生成和校验

首先，我们需要引入 JWT 令牌的依赖

java 复制代码 
		<!-- https://mvnrepository.com/artifact/io.jsonwebtoken/jjwt-api -->
		<dependency>
			<groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
			<artifactId>jjwt-api</artifactId>
			<version>0.11.5</version>
		</dependency>
		<!-- https://mvnrepository.com/artifact/io.jsonwebtoken/jjwt-impl -->
		<dependency>
			<groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
			<artifactId>jjwt-impl</artifactId>
			<version>0.11.5</version>
			<scope>runtime</scope>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
			<artifactId>jjwt-jackson</artifactId> <!-- or jjwt-gson if Gson is preferred -->
			<version>0.11.5</version>
			<scope>runtime</scope>
		</dependency>

接着，我们就可以使用Jar包中提供的API来完成JWT令牌的生成和校验了

我们首先来看生成令牌：

Header：

JWT的头部包含两部分信息：

  1. 令牌类型（alg）：JWT

  2. 加密算法（typ）：可选择 HS256、HS384、HS512、RS256...

java 复制代码 
        //头部
        Map<String, Object> header = new HashMap<>();
        header.put("alg", "HS256");
        header.put("typ", "JWT");
        //生成令牌
        String token = Jwts.builder()
                .setHeader(header) // 可以不设定，此时使用默认的

Payload：

Paylod通常是一个JSON对象，包含了JWT的所有声明（claims）以及其他需要传递的信息

载荷包含两种类型数据：

  1. 自定义数据

  2. 标准中注册的声明数据

java 复制代码 
        long JWT_EXPIRATION = 60 * 60 * 1000;
// 自定义信息
        Map<String, Object> claim = new HashMap<>();
        claim.put("id", 1);
        claim.put("userName", "zhangsan");
        //生成令牌
        String token = Jwts.builder()
                .setClaims(claim) // 自定义信息
                .setIssuedAt(new Date()) // 签发时间
                .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + JWT_EXPIRATION)) // 过期时间

Signature：

签名内容需要通过计算得出：

base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload) + "." + your-256-bit-secret

将待签名消息进行编码：

通常采用Base64编码将 header 和 payload转换为字符串

选择密钥：

我们以 HS256（HMAC with SHA-256）加密算法为例，我们需要选择一个密钥（密钥是进行签名计算的关键）

使用加密算法计算签名：

然后通过 header 中声明的加密算法 进行签名计算（仍以 HS256为例），将 编码后的消息 和 密钥输入 HMAC 算法中，进行 SHA-256哈希处理，生成签名

将签名添加到JWT中：

将生成的签名添加到JWT的尾部，形成最终的JWT

我们首先生成随机密钥：

java 复制代码 
     @Test
    //生成随机密钥
    public void genKey() {
        SecretKey secretKey = Keys.secretKeyFor(SignatureAlgorithm.HS256);
        String secretStr = Encoders.BASE64.encode(secretKey.getEncoded());
        System.out.println(secretStr);
    }

运行，得到密钥：

以运行结果作为随机密钥：

java 复制代码 
        String secretStr = "IufNeZtdSwoMADOxF3yofGqrpjAhNx58C/bomQ27NKg=";
        Key key = Keys.hmacShaKeyFor(Decoders.BASE64.decode(secretStr));
        
        // 生成令牌
        String token = Jwts.builder()
                .setHeader(header) // 可以不设定，此时使用默认的
                .setClaims(claim) // 自定义信息
                .setIssuedAt(new Date()) // 签发时间
                .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + JWT_EXPIRATION)) // 过期时间
                .signWith(key)
                .compact();

生成令牌：

java 复制代码 
    private static final long JWT_EXPIRATION = 60 * 60 * 1000;
    @Test
    public void genJwt() {
        //头部
        Map<String, Object> header = new HashMap<>();
        header.put("alg", "HS256");
        header.put("typ", "JWT");
        // 自定义信息
        Map<String, Object> claim = new HashMap<>();
        claim.put("id", 1);
        claim.put("userName", "zhangsan");
        // 生成密钥
        String secretStr = "IufNeZtdSwoMADOxF3yofGqrpjAhNx58C/bomQ27NKg=";
        Key key = Keys.hmacShaKeyFor(Decoders.BASE64.decode(secretStr));
        // 生成令牌
        String token = Jwts.builder()
                .setHeader(header) // 可以不设定，此时使用默认的
                .setClaims(claim) // 自定义信息
                .setIssuedAt(new Date()) // 签发时间
                .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + JWT_EXPIRATION)) // 过期时间
                .signWith(key) // 签名
                .compact();
        System.out.println(token);
    }

运行，查看得到的令牌：

我们将得到的令牌复制到官网上解析：

将密钥复制到 your-256-bit-secret位置

校验通过

接下来，我们实现令牌的校验：

我们需要使用之前生成的随机密钥来进行解密：

java 复制代码 
    private static final String secretStr = "IufNeZtdSwoMADOxF3yofGqrpjAhNx58C/bomQ27NKg=";
    private static final Key key = Keys.hmacShaKeyFor(Decoders.BASE64.decode(secretStr));

    @Test
    public void parseToken() {
        // 令牌
        String token = "eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJpZCI6MSwidXNlck5hbWUiOiJ6aGFuZ3NhbiIsImlhdCI6MTcxNzgyMDA3MywiZXhwIjoxNzE3ODIzNjczfQ.MKqOIgYTmmJMPktpbjsWq4WDmkuceCQPq2tJQoJVSpE";
        // 解析令牌
        JwtParser build = Jwts.parserBuilder().setSigningKey(key).build();
        Claims claims = build.parseClaimsJws(token).getBody();
        System.out.println(claims);
    }

运行，我们可以看到解析的消息

令牌的优缺点

优点：

  1. 解决了集群环境下的认证问题

  2. 减轻了服务器的存储压力，即无需在服务器端存储

  3. 令牌可以通过加密或签名等方式进行安全传输和存储，减少了被盗用的风险，更安全

缺点：

  1. 相对于传统的基于会话的认证机制，令牌认证通常需要更多的技术和知识，包括令牌签发、验证、刷新等流程，因此实现和维护的成本较高

  2. 如果令牌泄露，可能会导致安全风险，因此需要进行令牌的安全存储和传输

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