JWT基础

Created in June 25, 2022

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JWT基础

什么是JWT

JWT （JSON Web Token） 是目前最流行的跨域认证解决方案，是一种基于 Token 的认证授权机制。从 JWT 的全称可以看出，JWT 本身也是 Token，一种规范化之后的 JSON 结构的 Token。

Token 自身包含了身份验证所需要的所有信息，因此，我们的服务器不需要存储 Session 信息。这显然增加了系统的可用性和伸缩性，大大减轻了服务端的压力。

可以看出，JWT 更符合设计 RESTful API 时的「Stateless（无状态）」原则 。

并且， 使用 Token 认证可以有效避免 CSRF 攻击，因为 Token 一般是存在在 localStorage 中，使用 JWT 进行身份验证的过程中是不会涉及到 Cookie 的。

JWT 由哪些部分组成？

JWT 本质上就是一组字串，通过（.）切分成三个为 Base64 编码的部分：

  • Header : 描述 JWT 的元数据，定义了生成签名的算法以及 Token 的类型。
  • Payload : 用来存放实际需要传递的数据
  • Signature（签名） ：服务器通过 Payload、Header 和一个密钥(Secret)使用 Header 里面指定的签名算法（默认是 HMAC SHA256）生成。

JWT 通常是这样的：xxxxx.yyyyy.zzzzz。

示例：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.
eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.
SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

你可以在jwt.io这个网站上对其 JWT 进行解码，解码之后得到的就是 Header、Payload、Signature 这三部分。

Header 和 Payload 都是 JSON 格式的数据，Signature 由 Payload、Header 和 Secret(密钥)通过特定的计算公式和加密算法得到。

Header 通常由两部分组成：

  • typ（Type）：令牌类型，也就是 JWT。
  • alg（Algorithm） ：签名算法，比如 HS256。

示例：

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

JSON 形式的 Header 被转换成 Base64 编码，成为 JWT 的第一部分。

Payload

Payload 也是 JSON 格式数据，其中包含了 Claims(声明，包含 JWT 的相关信息)。

Claims 分为三种类型：

  • Registered Claims（注册声明） ：预定义的一些声明，建议使用，但不是强制性的。
  • Public Claims（公有声明） ：JWT 签发方可以自定义的声明，但是为了避免冲突，应该在 IANA JSON Web Token Registry[5] 中定义它们。
  • Private Claims（私有声明） ：JWT 签发方因为项目需要而自定义的声明，更符合实际项目场景使用。

下面是一些常见的注册声明：

  • iss（issuer）：JWT 签发方。
  • iat（issued at time）：JWT 签发时间。
  • sub（subject）：JWT 主题。
  • aud（audience）：JWT 接收方。
  • exp（expiration time）：JWT 的过期时间。
  • nbf（not before time）：JWT 生效时间，早于该定义的时间的 JWT 不能被接受处理。
  • jti（JWT ID）：JWT 唯一标识。
{
  "uid": "ff1212f5-d8d1-4496-bf41-d2dda73de19a",
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "exp": 15323232,
  "iat": 1516239022,
  "scope": ["admin", "user"]
}

Payload 部分默认是不加密的，一定不要将隐私信息存放在 Payload 当中！！！

JSON 形式的 Payload 被转换成 Base64 编码，成为 JWT 的第二部分。

Signature

Signature 部分是对前两部分的签名，作用是防止 Token（主要是 payload） 被篡改。

这个签名的生成需要用到：

  • Header + Payload。
  • 存放在服务端的密钥(一定不要泄露出去)。
  • 签名算法。

签名的计算公式如下：

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

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，成为 JWT 的第三部分。

如何基于 JWT 进行身份验证？

在基于 Token 进行身份验证的的应用程序中，服务器通过 Payload、Header 和 Secret(密钥)创建Token（令牌）并将 Token 发送给客户端。客户端接收到 Token 之后，会将其保存在 Cookie 或者 localStorage 里面，以后客户端发出的所有请求都会携带这个令牌。

简化后的步骤如下：

  1. 用户向服务器发送用户名、密码以及验证码用于登陆系统。
  2. 如果用户用户名、密码以及验证码校验正确的话，服务端会返回已经签名的 Token。
  3. 用户以后每次向后端发请求都在 Header 中带上这个 Token。
  4. 服务端检查 Token 并从中获取用户相关信息。

两点建议：

  1. 建议将 Token 存放在 localStorage 中，放在 Cookie 中会有 CSRF 风险。
  2. 请求服务端并携带 Token 的常见做法是将 Token 放在 HTTP Header 的 Authorization 字段中（Authorization: Bearer Token）。

JWT 如何防止 Token 被篡改？

有了签名之后，即使 Token 被泄露或者解惑，黑客也没办法同时篡改 Signature 、Header 、Payload。

这是为什么呢？因为服务端拿到 Token 之后，会解析出其中包含的 Header、Payload 以及 Signature 。服务端会根据 Header、Payload、密钥再次生成一个 Signature。拿新生成的 Signature 和 Token 中的 Signature 作对比，如果一样就说明 Header 和 Payload 没有被修改。

不过，如果服务端的秘钥也被泄露的话，黑客就可以同时篡改 Signature 、Header 、Payload 了。黑客直接修改了 Header 和 Payload 之后，再重新生成一个 Signature 就可以了。

密钥一定保管好，一定不要泄露出去。JWT 安全的核心在于签名，签名安全的核心在密钥。

如何加强 JWT 的安全性？

  1. 使用安全系数高的加密算法。
  2. 使用成熟的开源库，没必要造轮子。
  3. Token 存放在 localStorage 中而不是 Cookie 中，避免 CSRF 风险。
  4. 一定不要将隐私信息存放在 Payload 当中。
  5. 密钥一定保管好，一定不要泄露出去。JWT 安全的核心在于签名，签名安全的核心在密钥。
  6. Payload 要加入 exp （JWT 的过期时间），永久有效的 JWT 不合理。并且，JWT 的过期时间不易过长。

JWT 的优势

相比于 Session 认证的方式来说，使用 JWT 进行身份认证主要有下面 4 个优势。

无状态

JWT 自身包含了身份验证所需要的所有信息，因此，我们的服务器不需要存储 Session 信息。这显然增加了系统的可用性和伸缩性，大大减轻了服务端的压力。

不过，也正是由于 JWT 的无状态，也导致了它最大的缺点：不可控！

就比如说，我们想要在 JWT 有效期内废弃一个 JWT 或者更改它的权限的话，并不会立即生效，通常需要等到有效期过后才可以。再比如说，当用户 Logout 的话，JWT 也还有效。除非，我们在后端增加额外的处理逻辑比如将失效的 JWT 存储起来，后端先验证 JWT 是否有效再进行处理。具体的解决办法，我们会在后面的内容中详细介绍到，这里只是简单提一下。

有效避免了 CSRF 攻击

CSRF（Cross Site Request Forgery） 一般被翻译为 跨站请求伪造，属于网络攻击领域范围。相比于 SQL 脚本注入、XSS 等安全攻击方式，CSRF 的知名度并没有它们高。但是，它的确是我们开发系统时必须要考虑的安全隐患。就连业内技术标杆 Google 的产品 Gmail 也曾在 2007 年的时候爆出过 CSRF 漏洞，这给 Gmail 的用户造成了很大的损失。

那么究竟什么是跨站请求伪造呢？ 简单来说就是用你的身份去做一些不好的事情（发送一些对你不友好的请求比如恶意转账）。

举个简单的例子：小壮登录了某网上银行，他来到了网上银行的帖子区，看到一个帖子下面有一个链接写着“科学理财，年盈利率过万”，小壮好奇的点开了这个链接，结果发现自己的账户少了 10000 元。这是这么回事呢？原来黑客在链接中藏了一个请求，这个请求直接利用小壮的身份给银行发送了一个转账请求，也就是通过你的 Cookie 向银行发出请求。

<a src="http://www.mybank.com/Transfer?bankId=11&money=10000">科学理财，年盈利率过万</a>

CSRF 攻击需要依赖 Cookie ，Session 认证中 Cookie 中的 SessionID 是由浏览器发送到服务端的，只要发出请求，Cookie 就会被携带。借助这个特性，即使黑客无法获取你的 SessionID，只要让你误点攻击链接，就可以达到攻击效果。

另外，并不是必须点击链接才可以达到攻击效果，很多时候，只要你打开了某个页面，CSRF 攻击就会发生。

<img src="http://www.mybank.com/Transfer?bankId=11&money=10000" />

那为什么 JWT 不会存在这种问题呢？

一般情况下我们使用 JWT 的话，在我们登录成功获得 JWT 之后，一般会选择存放在 localStorage 中。前端的每一个请求后续都会附带上这个 JWT，整个过程压根不会涉及到 Cookie。因此，即使你点击了非法链接发送了请求到服务端，这个非法请求也是不会携带 JWT 的，所以这个请求将是非法的。

总结来说就一句话：使用 JWT 进行身份验证不需要依赖 Cookie ，因此可以避免 CSRF 攻击。

不过，这样也会存在 XSS 攻击的风险。为了避免 XSS 攻击，你可以选择将 JWT 存储在标记为httpOnly 的 Cookie 中。但是，这样又导致了你必须自己提供 CSRF 保护，因此，实际项目中我们通常也不会这么做。

常见的避免 XSS 攻击的方式是过滤掉请求中存在 XSS 攻击风险的可疑字符串。

在 Spring 项目中，我们一般是通过创建 XSS 过滤器来实现的。

@Component
@Order(Ordered.HIGHEST_PRECEDENCE)
public class XSSFilter implements Filter {

    @Override
    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response,
      FilterChain chain) throws IOException, ServletException {
        XSSRequestWrapper wrappedRequest =
          new XSSRequestWrapper((HttpServletRequest) request);
        chain.doFilter(wrappedRequest, response);
    }

    // other methods
}

适合移动端应用

使用 Session 进行身份认证的话，需要保存一份信息在服务器端，而且这种方式会依赖到 Cookie（需要 Cookie 保存 SessionId），所以不适合移动端。

但是，使用 JWT 进行身份认证就不会存在这种问题，因为只要 JWT 可以被客户端存储就能够使用，而且 JWT 还可以跨语言使用。

单点登录友好

使用 Session 进行身份认证的话，实现单点登录，需要我们把用户的 Session 信息保存在一台电脑上，并且还会遇到常见的 Cookie 跨域的问题。但是，使用 JWT 进行认证的话， JWT 被保存在客户端，不会存在这些问题

JWT 身份认证常见问题及解决办法

注销登录等场景下 JWT 还有效

与之类似的具体相关场景有：

  • 退出登录;
  • 修改密码;
  • 服务端修改了某个用户具有的权限或者角色；
  • 用户的帐户被封禁/删除；
  • 用户被服务端强制注销；
  • 用户被踢下线；

这个问题不存在于 Session 认证方式中，因为在 Session 认证方式中，遇到这种情况的话服务端删除对应的 Session 记录即可。但是，使用 JWT 认证的方式就不好解决了。我们也说过了，JWT 一旦派发出去，如果后端不增加其他逻辑的话，它在失效之前都是有效的。

那我们如何解决这个问题呢？查阅了很多资料，我简单总结了下面 4 种方案：

1、将 JWT 存入内存数据库

将 JWT 存入 DB 中，Redis 内存数据库在这里是不错的选择。如果需要让某个 JWT 失效就直接从 Redis 中删除这个 JWT 即可。但是，这样会导致每次使用 JWT 发送请求都要先从 DB 中查询 JWT 是否存在的步骤，而且违背了 JWT 的无状态原则。

2、黑名单机制

和上面的方式类似，使用内存数据库比如 Redis 维护一个黑名单，如果想让某个 JWT 失效的话就直接将这个 JWT 加入到 黑名单 即可。然后，每次使用 JWT 进行请求的话都会先判断这个 JWT 是否存在于黑名单中。

前两种方案的核心在于将有效的 JWT 存储起来或者将指定的 JWT 拉入黑名单。

虽然这两种方案都违背了 JWT 的无状态原则，但是一般实际项目中我们通常还是会使用这两种方案。

3、修改密钥 (Secret) :

我们为每个用户都创建一个专属密钥，如果我们想让某个 JWT 失效，我们直接修改对应用户的密钥即可。但是，这样相比于前两种引入内存数据库带来了危害更大：

  • 如果服务是分布式的，则每次发出新的 JWT 时都必须在多台机器同步密钥。为此，你需要将密钥存储在数据库或其他外部服务中，这样和 Session 认证就没太大区别了。
  • 如果用户同时在两个浏览器打开系统，或者在手机端也打开了系统，如果它从一个地方将账号退出，那么其他地方都要重新进行登录，这是不可取的。

4、保持令牌的有效期限短并经常轮换

很简单的一种方式。但是，会导致用户登录状态不会被持久记录，而且需要用户经常登录。

另外，对于修改密码后 JWT 还有效问题的解决还是比较容易的。说一种我觉得比较好的方式：使用用户的密码的哈希值对 JWT 进行签名。因此，如果密码更改，则任何先前的令牌将自动无法验证。

JWT 的续签问题

JWT 有效期一般都建议设置的不太长，那么 JWT 过期后如何认证，如何实现动态刷新 JWT，避免用户经常需要重新登录？

我们先来看看在 Session 认证中一般的做法：假如 Session 的有效期 30 分钟，如果 30 分钟内用户有访问，就把 Session 有效期延长 30 分钟。

JWT 认证的话，我们应该如何解决续签问题呢？查阅了很多资料，我简单总结了下面 4 种方案：

1、类似于 Session 认证中的做法

这种方案满足于大部分场景。假设服务端给的 JWT 有效期设置为 30 分钟，服务端每次进行校验时，如果发现 JWT 的有效期马上快过期了，服务端就重新生成 JWT 给客户端。客户端每次请求都检查新旧 JWT，如果不一致，则更新本地的 JWT。这种做法的问题是仅仅在快过期的时候请求才会更新 JWT ,对客户端不是很友好。

2、每次请求都返回新 JWT

这种方案的的思路很简单，但是，开销会比较大，尤其是在服务端要存储维护 JWT 的情况下。

3、JWT 有效期设置到半夜

这种方案是一种折衷的方案，保证了大部分用户白天可以正常登录，适用于对安全性要求不高的系统。

4、用户登录返回两个 JWT

第一个是 accessJWT ，它的过期时间 JWT 本身的过期时间比如半个小时，另外一个是 refreshJWT 它的过期时间更长一点比如为 1 天。客户端登录后，将 accessJWT 和 refreshJWT 保存在本地，每次访问将 accessJWT 传给服务端。服务端校验 accessJWT 的有效性，如果过期的话，就将 refreshJWT 传给服务端。如果有效，服务端就生成新的 accessJWT 给客户端。否则，客户端就重新登录即可。

这种方案的不足是：

  • 需要客户端来配合；
  • 用户注销的时候需要同时保证两个 JWT 都无效；
  • 重新请求获取 JWT 的过程中会有短暂 JWT 不可用的情况（可以通过在客户端设置定时器，当 accessJWT 快过期的时候，提前去通过 refreshJWT 获取新的 accessJWT）。

总结

JWT 其中一个很重要的优势是无状态，但实际上，我们想要在实际项目中合理使用 JWT 的话，也还是需要保存 JWT 信息。

JWT 也不是银弹，也有很多缺陷，具体是选择 JWT 还是 Session 方案还是要看项目的具体需求。万万不可尬吹 JWT，而看不起其他身份认证方案。



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