JWT身份认证原理介绍

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JSON Web Token (JWT) 是一种开放标准(RFC 7519),它定义了一种紧凑且自包含的方式,用于在各方之间作为 JSON 对象安全地传输信息。这些信息可以被验证和信任,因为它是数字签名的。

JWT主要是用来替代取代传统的身份认证机制。

传统的身份认证特点

状态性(Stateful):服务器需要在其内存或数据库中存储每个用户的会话信息(Session)。

扩展性差:在分布式或微服务架构中,用户请求可能被负载均衡到不同的服务器上。这就要求所有服务器必须能访问一个共享的会话存储中心(如 Redis 集群),增加了复杂性。

跨域问题:让 Cookie 在多个不同的域下正常工作需要额外配置。


JWT的身份认证特点

无状态性(Stateless):服务器不存储任何用户会话信息。用户的登录状态和信息直接编码在 JWT 令牌本身中。

自包含(Self-contained):令牌本身包含了所有需要的用户信息(如用户ID、角色等),服务器只需验证令牌的有效性即可信任其中的内容。

易于跨域和传输:JWT 可以放在 HTTP 请求头(Authorization Header)、POST 参数或甚至 URL 中。由于它只是一个字符串,可以轻松地在不同域和服务之间传递。


JWT的结构解析

JWT可以看成是一串多个JSON信息串拼接成的Token。

JWT的结构:

一个 JWT 看起来就是一串很长的、由点(.)分隔的字符串,例如:

xxxxx.yyyyy.zzzzz

它实际上由三部分组成,对应着三个点作分隔符:

  1. Header(头部)

    作用:描述令牌的基本信息,如类型(即 JWT)和所使用的签名算法(如 HMAC SHA256 或 RSA)。

    内容:一个 JSON 对象,例如 {"alg": "HS256", "typ": "JWT"}

    存储方式:这个 JSON 对象会经过 Base64Url 编码,形成 JWT 的第一部分(xxxxx)。

  2. Payload(负载)

    作用:携带你想要传递的"声明"(Claims)。声明就是关于实体(通常是用户)和其他数据的语句。

    内容:一个 JSON 对象,包含三种类型的声明:

    注册声明(Registered claims):预定义的一些标准字段,非强制但推荐使用。例如:

    • iss (issuer):签发者
    • exp (expiration time):过期时间
    • sub (subject):主题
    • aud (audience):接收方
    • iat (issued at time):JWT 签发时间
    • exp (expiration time):JWT 的过期时间
    • ......

    存储方式:这个 JSON 对象也会经过 Base64Url 编码,形成 JWT 的第二部分(yyyyy)。

    ⚠️ 重要提示:Header 和 Payload 只是经过编码(Base64Url),并没有加密! 任何人都可以解码它们并看到原始内容。因此,绝对不能在 Payload 中放置密码等敏感信息。这里也是一个安全检测项。

  3. Signature(签名)

    作用:这是 JWT 最核心的部分,用于防止令牌被篡改,确保我们信任其内容。

    生成方式:将编码后的 Header、编码后的 Payload、以及一个密钥(Secret) 通过 Header 中指定的签名算法(如 HS256)进行签名。

    伪代码:Signature = HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload), secret)

    验证方式:服务器收到 JWT 后,会用同样的密钥和算法对前两部分重新生成一个签名。如果新生成的签名与 JWT 中附带的第三部分签名完全一致,则证明令牌未被篡改(因为攻击者没有密钥,无法生成有效签名)。同时,也证明了发送者拥有密钥(通常是签发令牌的服务器)。

最终,将这三个 Base64Url 字符串用点连接起来,就构成了一个完整的 JWT。
xxxxx.yyyyy.zzzzz


JWT 的工作流程

这个流程展示了 JWT 如何实现无状态的身份验证,客户端只需在每次请求中携带 token,服务器通过验证签名和声明来判断请求的合法性,无需有一台中央服务器来维护用户会话状态

  1. 用户登录:用户向认证服务器发送用户名和密码。

  2. 验证凭据:认证服务器验证用户名和密码是否正确。

  3. 创建 JWT:验证成功后,服务器生成 JWT。其中:

    • Header 指定算法。
    • Payload 包含用户ID、角色、过期时间等信息。
    • Signature 使用一个只有服务器知道的密钥(Secret),根据 Header 和 Payload 生成。
  4. 返回 JWT:服务器将生成的 JWT 返回给客户端(通常是放在 HTTP 响应的 Authorization 头或 Body 中)。

  5. 客户端存储:客户端(通常是浏览器)收到后,将其存储起来(常用 localStorage 或 sessionStorage)。

  6. 携带 JWT 发起请求:此后,客户端向受保护的 API 发起的任何请求,都必须在 HTTP 请求头中带上 JWT(通常使用 Authorization: Bearer <token> 格式)。

  7. 服务器验证 JWT:API 服务器收到请求:

    • 检查签名:使用相同的密钥对 JWT 的前两部分重新计算签名,并与第三部分对比,验证令牌是否有效且未被篡改。
    • 检查有效期:检查 Payload 中的 exp 字段,确保令牌没有过期。
    • 检查签发者(可选):检查 iss 字段是否可信。
  8. 返回响应:验证通过后,服务器认为请求来自一个已认证的用户,并根据 Payload 中的信息(如用户角色)处理请求并返回结果。


安全注意事项

密钥保护: 服务器密钥必须保密,且足够复杂;

HTTPS: 所有通信应通过 HTTPS 进行,防止 token 被窃取;

合理过期时间: 设置适当的过期时间,平衡安全性和用户体验;

敏感信息: 不要在 payload 中存放敏感信息(如密码);

注销处理: JWT 无法在有效期内主动失效,需结合黑名单或短期有效期策略;

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