JSON Web Token入门

简介

JSON Web Token(JWT)是是目前最流行的跨域认证(Authentication)解决方案。

基于 session 的认证方案,在服务器集群或跨域的多系统中,难以实现一次登录多端共享。此时,有两种方案。

一种是,将 session 数据持久化,所有子系统都向持久层请求数据。这种方案优点是架构清晰,缺点是工程量大,另外如果持久层挂机,所有系统都无法登录;

另一种是,服务器不保存 session 数据,所有数据保存在客户端,每次请求都发回服务器。JWT 就是这种方案的一个代表。

关于用户认证和用户授权的区别:

  • 用户认证(Authentication):让用户登录,确认用户拥有该账户,举例来说登录服务器;
  • 用户授权(Authorization):鉴别用户是否有某项操作的权限,举例来说 root 用户可以修改 /etc/hosts 文件。

原理

服务端初次认证以后,生成一个 JSON 对象,发回给用户。例如:

{
    "姓名": "张三",
    "角色": "管理员",
    "到期时间": "2018年7月1日0点0分"
}

在此之后,用户与服务端通信时带上这个 JSON 对象,服务器只靠这个对象认定用户身份,服务器不保存任何 session 数据。也就是说,服务器变成无状态了,从而比较容易实现扩展。

为了防止用户篡改数据,服务器在生成这个对象的时候,会加上签名(签名密钥存储在服务器上)。

数据结构

JWT 是一个没有换行长字符串,中间用 . 分隔为三部分。三个部分依次为:头部(Header)、负载(Payload)和签名(Signature)。即:

Header.Payload.Signature

Header 部分描述 JWT 的元数据,是一个 JSON 对象。

{
    "alg": "HS256",
    "typ": "JWT"
}
  • alg 属性表示签名的算法(algorithm),默认是 HMAC SHA256(写成 HS256);
  • typ 属性表示这个令牌(token)的类型(type),JWT 令牌统一写为 JWT

最后,将上面的 JSON 对象使用 Base64URL(注意不是常用的 Base64) 算法转成字符串。

Payload

Payload 部分用来存储实际需要传输的数据。JWT 规定了 7 个官方字段,供选用。

  • iss (issuer):签发人
  • exp (expiration time):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

除了官方字段,也可以自定义私有字段,例如:

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

注意,JWT 默认是不加密的,不能在 Payload 中放秘密信息。

这个 JSON 对象也要使用 Base64URL 算法转成字符串。

Signature

Signature 部分是对前两部分的数据进行签名,防止数据篡改。计算签名所使用的密钥(secret)应安全存储在服务器端,不能泄露给用户。

使用 Header 中指定的签名算法(默认是 HMAC SHA256),按照下面的公式产生签名(Python 示例)。

import hmac
from base64 import urlsafe_b64encode

hmac.new(
    secret,
    urlsafe_b64encode(header.encode()) + b"." + urlsafe_b64encode(payload.encode()),
    "sha256",
).hexdigest()

算出签名以后,把 Header、Payload、Signature 三个部分拼成一个字符串,每个部分之间用”点”(.)分隔,就可以返回给用户。

Base64URL

JWT 作为一个令牌(token),有些场合可能会放到 URL 中,例如 api.example.com/?token=xxx。

Base64 有三个字符 +/=,在 URL 里面有特殊含义,所以要被替换掉:= 被省略、+ 替换成 -/ 替换成 _ 。这就是 Base64URL 算法。

使用场景

简单认证

向用户发送的通知邮件,需要用户点击链接做一些不太重要的操作时,例如退订、填写问卷等等。此时可以在链接 URL 中带上 JWT —— 既可以认证用户(防止他人伪造链接),又不需要用户登录。

单点登录

如果是同一域名下的多个子域名站点的单点登录,可以将 JWT 放在 cookie 中,并将 domain 设置为顶级域名。例如:

Set-Cookie: jwt=<token>; HttpOnly; max-age=980000; domain=.taobao.com

如果涉及到跨域,可以把 JWT 放在 HTTP 请求的头信息 Authorization 字段里面,或者放在 POST 请求的数据体里面;

Authorization: Bearer <token>

特点

  1. JWT 默认是不加密,但也是可以加密的。生成原始 Token 以后,可以用密钥再加密一次。
  2. JWT 不加密的情况下,不能将秘密数据写入 JWT。
  3. JWT 不仅可以用于认证,也可以用于交换信息。有效使用 JWT,可以降低服务器查询数据库的次数。
  4. JWT 的最大缺点是,由于服务器不保存 session 状态,因此无法在使用过程中废止某个 token,或者更改 token 的权限。也就是说,一旦 JWT 签发了,在到期之前就会始终有效,除非服务器部署额外的逻辑。
  5. JWT 本身包含了认证信息,一旦泄露,任何人都可以获得该令牌的所有权限。为了减少盗用,JWT 的有效期应该设置得比较短。对于一些比较重要的权限,使用时应该再次对用户进行认证。
  6. 为了减少盗用,JWT 不应该使用 HTTP 协议明码传输,要使用 HTTPS 协议传输。

参考链接

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