什么是 JWT？它是如何工作的？

_江南一点雨2024-10-04 11:19

松哥最近辅导了几个小伙伴秋招，有小伙伴在面小红书时遇到这个问题，这个问题想回答全面还是有些挑战，松哥结合之前的一篇旧文和大伙一起来聊聊。

一 无状态登录

1.1 什么是有状态

有状态服务，即服务端需要记录每次会话的客户端信息，从而识别客户端身份，根据用户身份进行请求的处理，典型的设计如 Tomcat 中的 Session。例如登录：用户登录后，我们把用户的信息保存在服务端 session 中，并且给用户一个 cookie 值，记录对应的 session，然后下次请求，用户携带 cookie 值来（这一步有浏览器自动完成），我们就能识别到对应 session，从而找到用户的信息。这种方式目前来看最方便，但是也有一些缺陷，如下：

  • 服务端保存大量数据，增加服务端压力
  • 服务端保存用户状态，不支持集群化部署

1.2 什么是无状态

微服务集群中的每个服务，对外提供的都使用 RESTful 风格的接口。而 RESTful 风格的一个最重要的规范就是：服务的无状态性，即：

  • 服务端不保存任何客户端请求者信息
  • 客户端的每次请求必须具备自描述信息，通过这些信息识别客户端身份

那么这种无状态性有哪些好处呢？

  • 客户端请求不依赖服务端的信息，多次请求不需要必须访问到同一台服务器
  • 服务端的集群和状态对客户端透明
  • 服务端可以任意的迁移和伸缩（可以方便的进行集群化部署）
  • 减小服务端存储压力

1.3 如何实现无状态

无状态登录的流程：

  • 首先客户端发送账户名/密码到服务端进行认证
  • 认证通过后，服务端将用户信息加密并且编码成一个 token（一般是 JWT），返回给客户端
  • 以后客户端每次发送请求，都需要携带认证的 token
  • 服务端对客户端发送来的 token 进行解密，判断是否有效，并且获取用户登录信息

二 JWT

2.1 JWT 简介

JWT，全称是 Json Web Token， 是一种 JSON 风格的轻量级的授权和身份认证规范，可实现无状态、分布式的 Web 应用授权：

JWT 作为一种规范，并没有和某一种语言绑定在一起，常用的 Java 实现是 GitHub 上的开源项目 jjwt，地址如下：https://github.com/jwtk/jjwt

2.2 JWT 数据格式

JWT 包含三部分数据：

  • Header：头部，通常头部有两部分信息：

    • 声明类型，这里是JWT
    • 加密算法，自定义

我们会对头部进行 Base64Url 编码（可解码），得到第一部分数据。

  • Payload：载荷，就是有效数据，在官方文档中(RFC7519)，这里给了7个示例信息：

    • iss (issuer)：表示签发人
    • exp (expiration time)：表示token过期时间
    • sub (subject)：主题
    • aud (audience)：受众
    • nbf (Not Before)：生效时间
    • iat (Issued At)：签发时间
    • jti (JWT ID)：编号

这部分也会采用 Base64Url 编码，得到第二部分数据。

  • Signature：签名，是整个数据的认证信息。一般根据前两步的数据，再加上服务的的密钥secret（密钥保存在服务端，不能泄露给客户端），通过 Header 中配置的加密算法生成。用于验证整个数据完整和可靠性。

生成的数据格式如下图：

注意，这里的数据通过 . 隔开成了三部分，分别对应前面提到的三部分，另外，这里数据是不换行的，图片换行只是为了展示方便而已。

2.3 JWT 交互流程

流程图：

步骤翻译：

  1. 应用程序或客户端向授权服务器请求授权
  2. 获取到授权后，授权服务器会向应用程序返回访问令牌
  3. 应用程序使用访问令牌来访问受保护资源（如 API）

因为 JWT 签发的 token 中已经包含了用户的身份信息，并且每次请求都会携带，这样服务的就无需保存用户信息，甚至无需去数据库查询，这样就完全符合了 RESTful 的无状态规范。

2.4 JWT 存在的问题

说了这么多，JWT 也不是天衣无缝，由客户端维护登录状态带来的一些问题在这里依然存在，举例如下：

  1. 续签问题，这是被很多人诟病的问题之一，传统的 cookie+session 的方案天然的支持续签，但是 jwt 由于服务端不保存用户状态，因此很难完美解决续签问题，如果引入 redis，虽然可以解决问题，但是 jwt 也变得不伦不类了。
  2. 注销问题，由于服务端不再保存用户信息，所以一般可以通过修改 secret 来实现注销，服务端 secret 修改后，已经颁发的未过期的 token 就会认证失败，进而实现注销，不过毕竟没有传统的注销方便。
  3. 密码重置，密码重置后，原本的 token 依然可以访问系统，这时候也需要强制修改 secret。
  4. 基于第 2 点和第 3 点，一般建议不同用户取不同 secret。

对于上面提到的这些问题，在目前具体的项目实践中，更多的是通过引入 Redis 来解决这些问题。

三 实战

说了这么久，接下来我们就来看看这个东西到底要怎么用？

3.1 环境搭建

首先我们来创建一个 Spring Boot 项目，创建时需要添加 Spring Security 依赖，创建完成后，添加 jjwt 依赖，完整的 pom.xml 文件如下：

xml 复制代码 
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-security</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt</artifactId>
</dependency>

然后在项目中创建一个简单的 User 对象实现 UserDetails 接口，如下：

java 复制代码 
public class User implements UserDetails {
    private String username;
    private String password;
    private List<GrantedAuthority> authorities;
    public String getUsername() {
        return username;
    }
    @Override
    public boolean isAccountNonExpired() {
        return true;
    }
    @Override
    public boolean isAccountNonLocked() {
        return true;
    }
    @Override
    public boolean isCredentialsNonExpired() {
        return true;
    }
    @Override
    public boolean isEnabled() {
        return true;
    }
    //省略getter/setter
}

这个就是我们的用户对象，先放着备用，再创建一个 HelloController，内容如下：

java 复制代码 
@RestController
public class HelloController {
    @GetMapping("/hello")
    public String hello() {
        return "hello jwt !";
    }
    @GetMapping("/admin")
    public String admin() {
        return "hello admin !";
    }
}

HelloController 很简单，这里有两个接口，设计是 /hello 接口可以被具有 user 角色的用户访问，而 /admin 接口则可以被具有 admin 角色的用户访问。

3.2 JWT 配置

先准备一个 JWT 操作的工具类：

java 复制代码 
public class JwtUtils {

    public static final Integer EXPIRE_TIME = 7 * 24 * 60 * 60;
    public static final Integer REDIS_TOKEN_EXPIRE_TIME = 30 * 60;
    public static final String TOKEN_ISSUER = "javaboy";

    /**
     * 生成 JWT 字符串
     *
     * @return
     */
    public static String createJWT() throws IOException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {
        Authentication authentication = SecurityContextHolder.getContext().getAuthentication();
        String jws = Jwts.builder()
                //设置头部信息(相当于 JWT 字符串第一部分的内容)
                .header().add("type", "JWT")
                .and()
                //相当于 JWT 字符串第二部分的内容
                //签名密钥
                .signWith(getPrivateKey())
                //设置过期时间
                .expiration(java.util.Date.from(java.time.Instant.now().plusSeconds(EXPIRE_TIME)))
                //设置用户名
                .subject(authentication.getName())
                //设置用户权限，相当于把用户权限转为字符串 admin,user,xxx
                .claim("authorities", authentication.getAuthorities().stream().map(a -> a.getAuthority()).collect(Collectors.joining(",")))
                //令牌签发时间
                .issuedAt(new Date())
                .issuer(TOKEN_ISSUER)
                .compact();
        return jws;
    }

    public static PrivateKey getPrivateKey() throws IOException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {
        ClassPathResource resource = new ClassPathResource("private_key.pem");
        byte[] privateKeyBytes = FileCopyUtils.copyToByteArray(resource.getInputStream());
        String key = new String(privateKeyBytes, StandardCharsets.UTF_8);
        String privateStr = key
                .replace("-----BEGIN PRIVATE KEY-----", "")
                .replaceAll(System.lineSeparator(), "")
                .replace("-----END PRIVATE KEY-----", "");
        byte[] privateKeyDecodedBytes = Base64.getDecoder().decode(privateStr);
        PKCS8EncodedKeySpec keySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKeyDecodedBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(keySpec);
        return privateKey;
    }

    public static RSAPublicKey getPublicKey() throws IOException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {
        ClassPathResource resource = new ClassPathResource("public_key.pem");
        byte[] publicKeyBytes = FileCopyUtils.copyToByteArray(resource.getInputStream());
        String key = new String(publicKeyBytes, StandardCharsets.UTF_8);
        String publicStr = key
                .replace("-----BEGIN PUBLIC KEY-----", "")
                .replaceAll(System.lineSeparator(), "")
                .replace("-----END PUBLIC KEY-----", "");
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        byte[] publicKeyBase64Bytes = Base64.getDecoder().decode(publicStr);
        X509EncodedKeySpec publicKeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKeyBase64Bytes);
        PublicKey rsaPublicKey = keyFactory.generatePublic(publicKeySpec);
        return (RSAPublicKey) rsaPublicKey;
    }

    public static Authentication verifyToken(String token) {
        try {
            Claims claims = Jwts.parser()
                    .verifyWith(getPublicKey()).build()
                    .parseSignedClaims(token).getPayload();
            String username = claims.getSubject();
            // user,admin,xxx
            String authorities = claims.get("authorities", String.class);
            // 解析用户权限
            List<SimpleGrantedAuthority> list = Arrays.stream(authorities.split(",")).map(s -> new SimpleGrantedAuthority(s)).collect(Collectors.toList());
            return UsernamePasswordAuthenticationToken.authenticated(username, null, list);
        } catch (Exception e) {
            //令牌校验失败
            return null;
        }

    }
}

接下来，在用户登录成功的时候，生成 JWT 字符串，并存入到 Redis 中，如下：

java 复制代码 
@Bean
SecurityFilterChain securityFilterChain(HttpSecurity http) throws Exception {
    http.authorizeHttpRequests(a -> a.anyRequest().authenticated())
            .csrf(c -> c.disable())
            .sessionManagement(s -> s.sessionCreationPolicy(SessionCreationPolicy.STATELESS))
            .formLogin(f -> f
                    .successHandler((req, resp, auth) -> {
                        //登录成功，生成 JWT 字符串
                        try {
                            String token = JwtUtils.createJWT();
                            //将 JWT 字符串保存到 redis 中
                            redisTemplate.opsForValue().set(auth.getName() + ":" + token, auth.getName());
                            // 设置过期时间
                            redisTemplate.expire(auth.getName() + ":" + token, JwtUtils.REDIS_TOKEN_EXPIRE_TIME, TimeUnit.SECONDS);
                            resp.setContentType("application/json;charset=utf-8");
                            RespBean respBean = new RespBean(200, token, null);
                            resp.getWriter().write(new ObjectMapper().writeValueAsString(respBean));
                        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        } catch (InvalidKeySpecException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                    })
                    .permitAll())
            .logout(l -> l.logoutSuccessHandler((req, resp, auth) -> {
                // 删除 redis 中的 token
                String key = auth.getName() + ":" + req.getHeader("Authorization").replace("Bearer ", "");
                System.out.println("key = " + key);
                redisTemplate.delete(key);
                resp.getWriter().write("logout success");
            }).logoutUrl("/logout").permitAll());
    http.addFilterAfter(new JwtFilter(redisTemplate), SecurityContextHolderFilter.class);
    return http.build();
}

最后再来一个校验的过滤器，在用法发送请求的时候，校验 JWT 字符串，如下：

java 复制代码 
public class JwtFilter extends GenericFilterBean {
    StringRedisTemplate redisTemplate;

    public JwtFilter(StringRedisTemplate redisTemplate) {
        this.redisTemplate = redisTemplate;
    }

    @Override
    public void doFilter(ServletRequest servletRequest, ServletResponse servletResponse, FilterChain filterChain) {
        RespBean result = null;
        HttpServletRequest req = (HttpServletRequest) servletRequest;
        HttpServletResponse resp = (HttpServletResponse) servletResponse;
        resp.setContentType("application/json;charset=utf-8");
        try {
            //如果是登录请求，则直接放行
            if (req.getRequestURI().equals("/login")) {
                filterChain.doFilter(servletRequest, servletResponse);
                return;
            }
            //获取请求头中的token
            String token = req.getHeader("Authorization");
            if (token == null) {
                result = new RespBean(500, "令牌为空，请求失败", null);
                PrintWriter out = resp.getWriter();
                out.write(new ObjectMapper().writeValueAsString(result));
            } else {
                //验证token
                token = token.replace("Bearer ", "");
                //验证token是否有效
                //校验通过，则返回认证后的 Auhtentication 对象，否则返回 null
                Authentication authentication = JwtUtils.verifyToken(token);
                String s = redisTemplate.opsForValue().get(authentication.getName() + ":" + token);
                if (s == null) {
                    // 令牌失效
                    result = new RespBean(501, "令牌失效，请重新登录", null);
                    resp.getWriter().write(new ObjectMapper().writeValueAsString(result));
                } else {
                    //令牌有效，检查令牌过期时间，如果临近过期，则为令牌续期
                    Long expire = redisTemplate.getExpire(authentication.getName() + ":" + token);
                    if (expire != null && expire < 10 * 60) {
                        //说明令牌还有 10 分钟过期，则重新设置新的过期时间
                        redisTemplate.expire(authentication.getName() + ":" + token, Duration.ofSeconds(JwtUtils.REDIS_TOKEN_EXPIRE_TIME));
                    }
                    SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(authentication);
                    filterChain.doFilter(servletRequest, servletResponse);
                }
            }
        } catch (Exception e) {

        } finally {
            // 清除上下文
            SecurityContextHolder.clearContext();
        }

    }
}

关于这个过滤器，我说如下几点：

  1. 首先从请求头中提取出 Authorization 字段，这个字段对应的 value 就是用户的 token。
  2. 将提取出来的 token 字符串调用 JwtUtils.verifyToken 方法进行验证，将验证结果放到当前的 SecurityContext 中，然后执行过滤链使请求继续执行下去。

3.3 Spring Security 配置

最后，在 Spring Security 中配置这个过滤器。

java 复制代码 
http.addFilterAfter(new JwtFilter(redisTemplate), SecurityContextHolderFilter.class);

搞定！

3.4 测试

做完这些之后，我们的环境就算完全搭建起来了，接下来启动项目然后在 POSTMAN 中进行测试，如下：

登录成功后返回的字符串就是经过 base64url 转码的 token，一共有三部分，通过一个 . 隔开，我们可以对第一个 . 之前的字符串进行解码，即 Header，如下：

再对两个 . 之间的字符解码，即 payload：

可以看到，我们设置信息，由于 base64 并不是加密方案，只是一种编码方案，因此，不建议将敏感的用户信息放到 token 中。

接下来再去访问 /hello 接口，注意认证方式选择 Bearer Token，Token 值为刚刚获取到的值，如下：

可以看到，访问成功。

四 总结

这就是 JWT 结合 Spring Security 的一个简单用法。

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