Web中常用的鉴权机制——JWT

日常

传统session认证的问题

每个用户的登录信息都会保存到服务器的session中，随着用户的增多，服务器开销会明显增大
session是存在与服务器的物理内存中，所以在分布式系统中，这种方式将会失效。虽然可以将session统一保存到Redis中，但是这样做无疑增加了系统的复杂性，对于不需要redis的应用也会白白多引入一个缓存中间件
对于非浏览器的客户端、手机移动端等不适用，因为session依赖于cookie，而移动端经常没有cookie

Token验证流程

在这里插入图片描述

客户端使用用户名和密码请求登录

服务端收到请求，验证用户名和密码

验证成功后，服务端会签发并返回给客户端一个token

客户端收到token后存放到Cookie或SessionStorage中

客户端每次向服务端请求资源时需要携带服务端签发的token，可以在Cookie或者header中携带

服务端收到请求，然后去验证客户端请求中的token，如验证成功，则正常返回数据

Token优点

支持跨域访问：cookie是无法跨域的，而token由于没有用到cookie(前提是将token放到请求头中)，所以跨域后不会存在信息丢失问题
无状态：token机制在服务端不需要存储session信息，因为token自身包含了所有登录用户的信息，所以可以减轻服务端压力
更适用CDN：可以通过内容分发网络请求服务端的所有资料
更适用于移动端：当客户端是非浏览器平台时，cookie是不被支持的，此时采用token认证方式会简单很多
无需考虑CSRF：由于不再依赖cookie，所以采用token认证方式不会发生CSRF，所以也就无需考虑CSRF的防御

JWT简介

JWT（Json Web Token）
官网

JWT的本质就是一个字符串，它是将用户信息保存到一个Json字符串中，然后进行编码后得到一个JWT token，并且这个JWT token带有签名信息，接收后可以校验是否被篡改，所以可以用于在各方之间安全地将信息作为Json对象传输。JWT的认证流程如下：

后端核对用户名和密码成功后，将包含用户信息的数据作为JWT的Payload，将其与JWT Header分别进行Base64编码拼接后签名，形成一个JWT Token
后端将JWT Token字符串作为登录成功的结果返回给前端。前端可以将返回的结果保存在浏览器中，退出登录时删除保存的JWT Token即可
前端在每次请求时将JWT Token放入HTTP请求头中的Authorization属性中(解决XSS和XSRF问题)
后端检查前端传过来的JWT Token，验证其有效性，比如检查签名是否正确、是否过期、token的接收方是否是自己等等
验证通过后，后端解析出JWT Token中包含的用户信息，进行其他逻辑操作(一般是根据用户信息得到权限等)，返回结果

JWT的结构

Header
Data
Verify Signature(验证区)

在这里插入图片描述

JWT头是一个描述JWT元数据的JSON对象，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

{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}

PayLoad

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

这些预定义的字段并不要求强制使用。除以上默认字段外，我们还可以自定义私有字段，一般会把包含用户信息的数据放到payload中，如下：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "Helen",
  "admin": true
}

默认情况下JWT是未加密的，因为只是采用base64算法，拿到JWT字符串后可以转换回原本的JSON数据，任何人都可以解读其内容，因此不要构建隐私信息字段，比如用户的密码一定不能保存到JWT中，以防止信息泄露。JWT只是适合在网络中传输一些非敏感的信息

Signature

签名哈希部分是对上面两部分数据签名，需要使用base64编码后的header和payload数据，通过指定的算法生成哈希，以确保数据不会被篡改。
首先，需要指定一个密钥（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header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

注意JWT每部分的作用，在服务端接收到客户端发送过来的JWT token之后：

header和payload可以直接利用base64解码出原文，从header中获取哈希签名的算法，从payload中获取有效数据
signature由于使用了不可逆的加密算法，无法解码出原文，它的作用是校验token有没有被篡改。服务端获取header中的加密算法之后，利用该算法加上secretKey对header、payload进行加密，比对加密后的数据和客户端发送过来的是否一致。
注意secretKey只能保存在服务端，而且对于不同的加密算法其含义有所不同，一般对于MD5类型的摘要加密算法，secretKey实际上代表的是盐值

JWT的分类

nonsecure JWT：未经过签名、不安全的JWT
JWS：经过签名的JWT
JWE：Payload部分经过加密的JWT

nonsecure JWT

header部分没有指定签名算法

{
  "alg": "none",
  "typ": "JWT"
}

JWS

JWS ，也就是JWT Signature，其结构就是在之前nonsecure JWT的基础上，在头部声明签名算法，并在最后添加上签名以此保证jwt不能被他人随意篡改。我们通常使用的JWT一般都是JWS

为了完成签名，除了用到header信息和payload信息外，还需要算法的密钥，也就是secretKey。加密的算法一般有2类：

对称加密：加密和解密使用的是同一个密钥
非对称加密：加密与解密使用的是不同的秘钥，有一个公钥 - 私钥对，秘钥正确才可以正常的进行加解密，私钥只用来加密，不能用来解密(验签用的是公钥)
JWT的密钥或者密钥对，一般统一称为JSON Web Key，也就是JWK

jwt的签名算法有三种：

HMAC【哈希消息验证码(对称)】：HS256/HS384/HS512
RSASSA【RSA签名算法(非对称)】（RS256/RS384/RS512）
ECDSA【椭圆曲线数据签名算法(非对称)】（ES256/ES384/ES512）

Java中使用JWT

java-jwt

引入依赖

<dependency>
    <groupId>com.auth0</groupId>
    <artifactId>java-jwt</artifactId>
    <version>4.1.0</version>
</dependency>

生成对称签名的token

生成token

public class JWTCreate {
    public void generateToken(){
      //添加token过期时间
      //指定token过期时间为10秒
      Calendar calendar = Calendar.getInstance();
      calendar.add(Calendar.SECOND, 10);
      //链式调用生成token
      String token = JWT.create()
              .withHeader(new HashMap<>())  // Header
              .withClaim("userId", 0)  // Payload
              .withClaim("userName", "jwtToken")
              .withExpiresAt(calendar.getTime())  // 过期时间
              .sign(Algorithm.HMAC256("SF"));  // 签名用的secret
    }
}

解析token

public void resolveToken(){
    // 创建解析对象，使用的算法和secret要与创建token时保持一致
    //"SF"为签名用的secret
    JWTVerifier jwtVerifier = JWT.require(Algorithm.HMAC256("SF")).build();
    // 解析指定的token
    DecodedJWT decodedJWT = jwtVerifier.verify("xxxxx");
    // 获取解析后的token中的payload信息
    Claim userId = decodedJWT.getClaim("userId");
    Claim userName = decodedJWT.getClaim("userName");
    // 输出过期时间
    System.out.println(decodedJWT.getExpiresAt());
}

封装成工具类

public class JWTUtils {
    // 签名密钥
    private static final String SECRET = "SF";

    /**
     * 生成token
     * @param payload token携带的信息
     * @return token字符串
     */
    public static String getToken(Map<String,String> payload){
        // 指定token过期时间为7天
        Calendar calendar = Calendar.getInstance();
        calendar.add(Calendar.DATE, 7);

        JWTCreator.Builder builder = JWT.create();
        // 构建payload
        payload.forEach((k,v) -> builder.withClaim(k,v));
        // 指定过期时间和签名算法
        String token = builder.withExpiresAt(calendar.getTime()).sign(Algorithm.HMAC256(SECRET));
        return token;
    }


    /**
     * 解析token
     * @param token token字符串
     * @return 解析后的token
     */
    public static DecodedJWT decode(String token){
        JWTVerifier jwtVerifier = JWT.require(Algorithm.HMAC256(SECRET)).build();
        DecodedJWT decodedJWT = jwtVerifier.verify(token);
        return decodedJWT;
    }
}

生成非对称签名的token

private static final String RSA_PRIVATE_KEY = "...";
private static final String RSA_PUBLIC_KEY = "...";

	/**
	* 生成token
	* @param payload token携带的信息
	* @return token字符串
	*/
public static String getTokenRsa(Map<String,String> payload){
    // 指定token过期时间为7天
    Calendar calendar = Calendar.getInstance();
    calendar.add(Calendar.DATE, 7);

    JWTCreator.Builder builder = JWT.create();
    // 构建payload
    payload.forEach((k,v) -> builder.withClaim(k,v));

    // 利用hutool创建RSA
    RSA rsa = new RSA(RSA_PRIVATE_KEY, null);
    // 获取私钥
    RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) rsa.getPrivateKey();
    // 签名时传入私钥
    String token = builder.withExpiresAt(calendar.getTime()).sign(Algorithm.RSA256(null, privateKey));
    return token;
}
	
	/**
	* 解析token
	* @param token token字符串
	* @return 解析后的token
	*/
public static DecodedJWT decodeRsa(String token){
    // 利用hutool创建RSA
    RSA rsa = new RSA(null, RSA_PUBLIC_KEY);
    // 获取RSA公钥
    RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) rsa.getPublicKey();
    // 验签时传入公钥
    JWTVerifier jwtVerifier = JWT.require(Algorithm.RSA256(publicKey, null)).build();
    DecodedJWT decodedJWT = jwtVerifier.verify(token);
    return decodedJWT;
}

SpringBoot开发环境下的应用

流程

在登录验证通过后，给用户生成一个对应的随机token(注意这个token不是指jwt，可以用uuid等算法生成)，然后将这个token作为key的一部分，用户信息作为value存入Redis，并设置过期时间，这个过期时间就是登录失效的时间
将第1步中生成的随机token作为JWT的payload生成JWT字符串返回给前端
前端之后每次请求都在请求头中的Authorization字段中携带JWT字符串
后端定义一个拦截器，每次收到前端请求时，都先从请求头中的Authorization字段中取出JWT字符串并进行验证，验证通过后解析出payload中的随机token，然后再用这个随机token得到key，从Redis中获取用户信息，如果能获取到就说明用户已经登录

public class JWTInterceptor implements HandlerInterceptor {
    @Override
    public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) throws Exception {
        String JWT = request.getHeader("Authorization");
        try {
            // 1.校验JWT字符串
            DecodedJWT decodedJWT = JWTUtils.decode(JWT);
            // 2.取出JWT字符串载荷中的随机token，从Redis中获取用户信息
            ...
            return true;
        }catch (SignatureVerificationException e){
            System.out.println("无效签名");
            e.printStackTrace();
        }catch (TokenExpiredException e){
            System.out.println("token已经过期");
            e.printStackTrace();
        }catch (AlgorithmMismatchException e){
            System.out.println("算法不一致");
            e.printStackTrace();
        }catch (Exception e){
            System.out.println("token无效");
            e.printStackTrace();
        }
        return false;
    }
}

提高安全性

因为JWT是在请求头中传递的，所以为了避免网络劫持，推荐使用HTTPS来传输，更加安全

JWT的哈希签名的密钥是存放在服务端的，所以只要服务器不被攻破，理论上JWT是安全的。因此要保证服务器的安全

JWT可以使用暴力穷举来破解，所以为了应对这种破解方式，可以定期更换服务端的哈希签名密钥(相当于盐值)。这样可以保证等破解结果出来了，你的密钥也已经换了

参考文章：JWT详解

如果觉得文章对你有用，请随意赞赏

SpringBoot JWT token

Web中常用的鉴权机制——JWT

https://springforest.world/archives/jwtsecurity

作者

SpringForest

发布于

2022-10-14

更新于

2022-11-20

许可协议

CC BY 4.0

Web中常用的鉴权机制——JWT

传统session认证的问题

Token验证流程

Token优点

JWT简介

JWT的结构

Header

PayLoad

Signature

JWT的分类

nonsecure JWT

JWS

jwt的签名算法有三种：

Java中使用JWT

java-jwt

引入依赖

生成对称签名的token

生成token

解析token

封装成工具类

生成非对称签名的token

SpringBoot开发环境下的应用

流程

提高安全性

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