詳解JSON Web Token 入門教程

2019-11-19 13:23:35

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供稿：網友

JSON Web Token（縮寫 JWT）是目前最流行的跨域認證解決方案，本文介紹它的原理和用法。

一、跨域認證的問題

互聯網服務離不開用戶認證。一般流程是下面這樣。

1、用戶向服務器發送用戶名和密碼。

2、服務器驗證通過后，在當前對話（session）里面保存相關數據，比如用戶角色、登錄時間等等。

3、服務器向用戶返回一個 session_id，寫入用戶的 Cookie。

4、用戶隨后的每一次請求，都會通過 Cookie，將 session_id 傳回服務器。

5、服務器收到 session_id，找到前期保存的數據，由此得知用戶的身份。

這種模式的問題在于，擴展性（scaling）不好。單機當然沒有問題，如果是服務器集群，或者是跨域的服務導向架構，就要求 session 數據共享，每臺服務器都能夠讀取 session。

舉例來說，A 網站和 B 網站是同一家公司的關聯服務?，F在要求，用戶只要在其中一個網站登錄，再訪問另一個網站就會自動登錄，請問怎么實現？

一種解決方案是 session 數據持久化，寫入數據庫或別的持久層。各種服務收到請求后，都向持久層請求數據。這種方案的優點是架構清晰，缺點是工程量比較大。另外，持久層萬一掛了，就會單點失敗。

另一種方案是服務器索性不保存 session 數據了，所有數據都保存在客戶端，每次請求都發回服務器。JWT 就是這種方案的一個代表。

二、JWT 的原理

JWT 的原理是，服務器認證以后，生成一個 JSON 對象，發回給用戶，就像下面這樣。

{ "姓名": "張三", "角色": "管理員", "到期時間": "2018年7月1日0點0分"}

以后，用戶與服務端通信的時候，都要發回這個 JSON 對象。服務器完全只靠這個對象認定用戶身份。為了防止用戶篡改數據，服務器在生成這個對象的時候，會加上簽名（詳見后文）。

服務器就不保存任何 session 數據了，也就是說，服務器變成無狀態了，從而比較容易實現擴展。

三、JWT 的數據結構

實際的 JWT 大概就像下面這樣。

它是一個很長的字符串，中間用點（.）分隔成三個部分。注意，JWT 內部是沒有換行的，這里只是為了便于展示，將它寫成了幾行。

JWT 的三個部分依次如下。

Header（頭部）
Payload（負載）
Signature（簽名）

寫成一行，就是下面的樣子。

Header.Payload.Signature

下面依次介紹這三個部分。

3.1 Header

Header 部分是一個 JSON 對象，描述 JWT 的元數據，通常是下面的樣子。

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

上面代碼中，alg屬性表示簽名的算法（algorithm），默認是 HMAC SHA256（寫成 HS256）；typ屬性表示這個令牌（token）的類型（type），JWT 令牌統一寫為JWT。

最后，將上面的 JSON 對象使用 Base64URL 算法（詳見后文）轉成字符串。

3.2 Payload

Payload 部分也是一個 JSON 對象，用來存放實際需要傳遞的數據。JWT 規定了7個官方字段，供選用。

iss (issuer)：簽發人
exp (expiration time)：過期時間
sub (subject)：主題
aud (audience)：受眾
nbf (Not Before)：生效時間
iat (Issued At)：簽發時間
jti (JWT ID)：編號

除了官方字段，你還可以在這個部分定義私有字段，下面就是一個例子。

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

注意，JWT 默認是不加密的，任何人都可以讀到，所以不要把秘密信息放在這個部分。

這個 JSON 對象也要使用 Base64URL 算法轉成字符串。

3.3 Signature

Signature 部分是對前兩部分的簽名，防止數據篡改。

首先，需要指定一個密鑰（secret）。這個密鑰只有服務器才知道，不能泄露給用戶。然后，使用 Header 里面指定的簽名算法（默認是 HMAC SHA256），按照下面的公式產生簽名。

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

算出簽名以后，把 Header、Payload、Signature 三個部分拼成一個字符串，每個部分之間用"點"（.）分隔，就可以返回給用戶。

3.4 Base64URL

前面提到，Header 和 Payload 串型化的算法是 Base64URL。這個算法跟 Base64 算法基本類似，但有一些小的不同。

JWT 作為一個令牌（token），有些場合可能會放到 URL（比如 api.example.com/?token=xxx）。Base64 有三個字符+、/和=，在 URL 里面有特殊含義，所以要被替換掉： =被省略、+替換成-，/替換成_ 。這就是 Base64URL 算法。

四、JWT 的使用方式

客戶端收到服務器返回的 JWT，可以儲存在 Cookie 里面，也可以儲存在 localStorage。

此后，客戶端每次與服務器通信，都要帶上這個 JWT。你可以把它放在 Cookie 里面自動發送，但是這樣不能跨域，所以更好的做法是放在 HTTP 請求的頭信息Authorization字段里面。