JWT Token 介绍

gongchengship / 2024-10-29 / 原文

可以在这里反解 JWT token https://jwt.io/
这里可以看阮一峰老师关于JWT 的介绍 https://www.ruanyifeng.com/blog/2018/07/json_web_token-tutorial.html

JWT（JSON Web Token）是一种用于在各方之间安全传输信息的基于JSON格式的令牌，通常用于身份验证和授权。JWT令牌的结构相对简单，易于传递，并且可以在任何网络通信协议中（如HTTP）使用。以下是对JWT的详细解释以及它的工作过程。

一、JWT 的结构

JWT 由三部分组成，每部分使用点号 (.) 分隔：

Header（头部）
Payload（载荷）
Signature（签名）

例如：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

1. Header（头部）

头部通常由两部分信息组成：

声明类型：即令牌的类型，JWT。
加密算法：例如HMAC、SHA256、RSA等。

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

上面的头部使用了 HS256（HMAC-SHA256）作为签名算法，并且声明这是一个JWT令牌。头部会被编码为Base64Url格式。

2. Payload（载荷）

Payload 是JWT的主体部分，包含需要传递的数据。这些数据称为声明（claims）。JWT声明有三类：

注册声明（Registered claims）：如 iss（发布者）、exp（过期时间）、sub（主题）、aud（受众）。
公共声明（Public claims）：由双方自行定义，常用于身份验证，比如用户名、用户ID等。
私有声明（Private claims）：仅用于双方之间的信息交换，例如特定应用上下文下的自定义信息。

一个常见的Payload示例：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "admin": true,
  "iat": 1516239022
}

Payload同样被编码为Base64Url。

3. Signature（签名）

签名部分用于验证消息的真实性，防止数据在传输过程中被篡改。签名的生成过程如下：

HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload),
  secret_key
)

签名部分确保令牌在传输中不会被伪造或篡改。

二、JWT 的工作流程

JWT的工作过程可以分为创建和验证两部分，以下是详细的工作步骤：

1. 用户登录并请求令牌

用户通过提交有效的凭据（如用户名和密码）向服务器发出登录请求。服务器验证这些凭据。

2. 服务器生成 JWT

如果用户的凭据正确，服务器会生成一个JWT令牌。令牌中通常会包含以下信息：

用户的身份信息（如用户ID）。
有效期（expiration time）。
其他相关信息（如用户角色等）。

服务器会通过头部、载荷和签名来构造JWT。创建后的JWT如下所示：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

生成后的JWT通过HTTP响应返回给用户（通常是在HTTP header中返回，或在响应体中返回）。

3. 用户请求受保护的资源

用户在后续的每次请求中，会将JWT放在请求头中，比如在Authorization头中使用Bearer方案：

Authorization: Bearer <JWT Token>

4. 服务器验证 JWT

每次用户请求受保护资源时，服务器会收到JWT，并进行以下验证：

完整性检查：服务器通过重新计算签名并与收到的JWT的签名进行比较，确保JWT没有被篡改。它会使用服务器端的密钥来验证。
过期检查：服务器检查JWT的 exp（过期时间）字段，确保令牌未过期。如果令牌过期，服务器将拒绝请求并要求用户重新认证。
权限验证：服务器检查JWT中的声明是否包含用户有权访问的资源。如果用户的权限不足，服务器会拒绝请求。

5. 成功访问受保护资源

如果JWT通过了所有的验证，服务器会允许用户访问受保护的资源，并返回所需的响应。

三、JWT 的优势

无状态性：JWT 是无状态的，服务器无需在本地存储会话数据，这减少了服务器的存储负担。
可扩展性：因为JWT是在客户端存储的，令牌中可以携带与用户相关的额外信息，如角色、权限等，便于进行身份验证和授权。
跨域认证：JWT 可以轻松用于跨域认证，因为它是以JSON格式的令牌，可以在多个不同的服务之间共享。
简洁和易传输：JWT令牌结构简单，且通过Base64编码，适合用于HTTP头中传递。并且令牌体积小，减少带宽占用。

四、JWT 的缺点

不可撤销性：由于JWT是无状态的，服务器生成后无法撤销已经发出的令牌。通常解决办法是通过设置较短的过期时间，并配合刷新令牌机制。
信息公开：JWT的Payload部分是Base64编码的，不是加密的。虽然第三方无法伪造令牌，但他们可以解码并查看载荷中的信息。因此，在JWT中不要包含敏感信息。
令牌过期问题：如果JWT没有及时过期，或没有撤销机制，那么一旦令牌泄露，攻击者可以一直使用这个令牌进行恶意操作。

五、典型的JWT使用场景

用户身份验证：最常见的场景是在单点登录（SSO）系统中，JWT 用于在多个系统之间共享用户身份验证状态。
OAuth 授权：OAuth 2.0 中，JWT 被用作访问令牌来授权用户访问API资源。
微服务架构：在微服务架构中，JWT 可以在不同的微服务之间传递用户身份信息，避免每个微服务都需要独立进行身份验证。

六、JWT 与其他认证方法的对比

基于会话的认证：传统的基于会话的认证通常需要在服务器端存储用户的会话信息，而JWT是无状态的，无需在服务器上保存用户状态。
OAuth：JWT 常用于OAuth中作为访问令牌，与OAuth的授权流程紧密结合。相比OAuth的复杂性，JWT本身更简洁。

七、总结

JWT（JSON Web Token）是一种基于JSON的轻量级令牌，用于在客户端和服务器之间安全传递信息。通过它的三部分结构（头部、载荷和签名），JWT确保数据的完整性和安全性。在现代Web开发中，JWT广泛用于身份验证和授权，特别是在微服务和跨域应用场景中。

JWT Token 的签名和验证(验证签名)的过程：

在 JWT 的签名过程中，secret_key 是用于生成并验证签名的一个密钥。具体来说，secret_key 是服务器端的一个私有密钥，它用于确保 JWT 的签名和数据的完整性，防止令牌被篡改。

1. secret_key 的作用

secret_key 是在签名算法（如 HMAC-SHA256）中使用的密钥。在 JWT 的签名部分，服务器会使用这个密钥来加密 JWT 的头部和载荷，并生成签名。具体过程如下：

服务器将 JWT 的头部和载荷通过 Base64Url 编码后拼接。
服务器使用预先定义的加密算法（如 HMAC-SHA256）和 secret_key 计算出该拼接字符串的签名。
最终生成的 JWT 是由三个部分构成：头部、载荷、签名。

只有拥有 secret_key 的服务器才能生成或验证这个签名。如果有人尝试篡改JWT的头部或载荷，签名就会不匹配，从而服务器能够检测到。

2. secret_key 是从哪里来的？

2.1 由服务器生成和管理

secret_key 通常是由服务器生成并管理的一个私密密钥，它不会向客户端或任何其他第三方公开。服务器通过这个密钥来保证 JWT 的安全性。不同的应用程序会根据安全需求和架构选择不同的方式生成和管理 secret_key：

静态密钥：通常在配置文件或环境变量中硬编码或配置。比如，使用常量密钥用于简单应用场景。
动态密钥：为了增强安全性，一些应用会动态生成和轮换密钥。动态密钥可以通过加密服务（如 AWS Key Management Service (KMS)）生成。
密钥管理服务：在大规模生产环境中，企业通常使用诸如 Amazon KMS、Google Cloud KMS 或者 HashiCorp Vault 等专门的密钥管理服务，确保密钥的安全存储和定期轮换。

2.2 如何选择和配置 `secret_key`

配置 secret_key 时，以下几点需要注意：

随机性和复杂性：secret_key 应该是足够长且随机的字符串，以避免暴力破解。使用弱密码或易猜的密钥会降低JWT的安全性。
存储安全性：secret_key 需要安全存储，通常通过环境变量或者安全配置文件进行管理，避免暴露在源代码中。
定期轮换：在敏感应用中，密钥应定期进行轮换，这可以避免某些攻击类型（如长期暴露的密钥被破解）。

2.3 多服务器环境下的 `secret_key`

在分布式系统或微服务架构中，通常有多个服务器实例共同服务于请求。在这种情况下，所有的服务器实例需要共享同一个 secret_key，这样任意一台服务器生成的 JWT 令牌都可以被其他服务器验证。

为了解决这个问题，通常有以下几种方式：

共享配置：所有的服务器实例都通过共享配置文件或者环境变量获取相同的 secret_key。
集中管理密钥服务：使用密钥管理服务来为所有服务器提供统一的密钥服务，确保所有实例能够获得相同的密钥。

3. 如何验证 JWT 签名

当服务器收到带有 JWT 的请求时，会使用相同的 secret_key 来验证签名。验证过程如下：

服务器从JWT中分离出头部和载荷，并重新计算它们的签名。
使用服务器存储的 secret_key 和相同的加密算法（如 HMAC-SHA256），重新计算JWT的签名。
将计算出的签名与收到的JWT中的签名进行比较。如果签名匹配，则证明JWT没有被篡改。

4. JWT 的签名算法与密钥类型

JWT 支持多种不同的签名算法，每种算法对密钥有不同的要求：

对称加密算法（如 HMAC-SHA256）：客户端和服务器共享同一个 secret_key，它既用于生成签名，也用于验证签名。HMAC-SHA256 是 JWT 中常见的一种对称签名算法。
非对称加密算法（如 RSA 或 ECDSA）：这类算法使用一对密钥（公钥和私钥）。服务器使用私钥签名，客户端或服务器可以使用公钥验证签名。这种方式更适合于分布式系统，因为客户端不需要知道服务器的私钥。

对于非对称加密，服务器生成JWT时使用的是私钥，而验证JWT时，客户端或其他服务使用服务器的公钥。

5. 示例：生成和验证 JWT 签名

生成 JWT 签名（以 HMAC-SHA256 为例）：

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;

public class JWTExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Header 和 Payload
        String header = "{\"alg\":\"HS256\",\"typ\":\"JWT\"}";
        String payload = "{\"sub\":\"1234567890\",\"name\":\"John Doe\",\"iat\":1516239022}";

        // Base64Url 编码
        String encodedHeader = Base64.getUrlEncoder().withoutPadding().encodeToString(header.getBytes());
        String encodedPayload = Base64.getUrlEncoder().withoutPadding().encodeToString(payload.getBytes());

        // secret_key 用于签名
        String secretKey = "your-secret-key";
        
        // HMAC-SHA256 签名
        Mac hmacSHA256 = Mac.getInstance("HmacSHA256");
        SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(secretKey.getBytes(), "HmacSHA256");
        hmacSHA256.init(secretKeySpec);

        // 签名生成
        String data = encodedHeader + "." + encodedPayload;
        byte[] signatureBytes = hmacSHA256.doFinal(data.getBytes());
        String signature = Base64.getUrlEncoder().withoutPadding().encodeToString(signatureBytes);

        // 最终的 JWT
        String jwt = encodedHeader + "." + encodedPayload + "." + signature;
        System.out.println("JWT: " + jwt);
    }
}

验证 JWT 签名：

验证签名时，服务器使用同样的 secret_key 和 HMAC-SHA256 算法，计算JWT的头部和载荷部分的签名，并与接收到的签名进行比较。

6. 总结

secret_key 是JWT生成和验证中至关重要的安全要素。在使用对称加密算法（如HMAC-SHA256）时，secret_key 是用于生成和验证签名的密钥，确保JWT数据的完整性。它通常由服务器生成和安全管理，并且不会公开给客户端。通过使用强密码策略和安全管理机制，可以确保 secret_key 不被暴露，从而保证JWT的安全性。