Java Web Token认证机制

在Web领域基于Token的身份验证随处可见。在大多数使用Web API的互联网公司中，token 是多用户下处理认证的最佳方式。

1. 几种认证机制比较

1.1 Session认证

我们知道，http协议本身是一种无状态的协议，而这就意味着如果用户向我们的应用提供了用户名和密码来进行用户认证，那么下一次请求时，用户还要再一次进行用户认证才行，因为根据http协议，我们并不能知道是哪个用户发出的请求，所以为了让我们的应用能识别是哪个用户发出的请求，我们只能在服务器存储一份用户登录的信息，这份登录信息会在响应时传递给浏览器，告诉其保存为cookie,以便下次请求时发送给我们的应用，这样我们的应用就能识别请求来自哪个用户了,这就是传统的基于session认证。

1.2 Token认证

基于token的鉴权机制类似于http协议也是无状态的，它不需要在服务端去保留用户的认证信息或者会话信息。这就意味着基于token认证机制的应用不需要去考虑用户在哪一台服务器登录了，这就为应用的扩展提供了便利。
流程上是这样的：

用户使用用户名密码来请求服务器
服务器进行验证用户的信息
服务器通过验证发送给用户一个token
客户端存储token，并在每次请求时附送上这个token值
服务端验证token值，并返回数据

1.3 比较

Token机制相对于Cookie机制又有什么好处呢？

支持跨域访问: Cookie是不允许垮域访问的，这一点对Token机制是不存在的，前提是传输的用户认证信息通过HTTP头传输.
无状态(也称：服务端可扩展行):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，只需要在客户端的cookie或本地介质存储状态信息.
性能: 一次网络往返时间（通过数据库查询session信息）总比做一次HMACSHA256计算的Token验证和解析要费时得多.
基于标准化:你的API可以采用标准化的 JSON Web Token (JWT). 这个标准已经存在多个后端库（.NET, Ruby, Java,Python, PHP）和多家公司的支持（如：Firebase,Google, Microsoft）.

2. JWT

JSON Web Token（JWT）是一个非常轻巧的规范。这个规范允许我们使用JWT在用户和服务器之间传递安全可靠的信息。

2.1 JWT的组成

一个JWT实际上就是一个字符串，它由三部分组成，头部、载荷与签名。

载荷（Payload）

{ "iss": "Online JWT Builder", 
  "iat": 1416797419, 
  "exp": 1448333419, 
  "aud": "www.example.com", 
  "sub": "jrocket@example.com", 
  "GivenName": "Johnny", 
  "Surname": "Rocket", 
  "Email": "jrocket@example.com", 
  "Role": [ "Manager", "Project Administrator" ] 
}

iss: 该JWT的签发者，是否使用是可选的；
sub: 该JWT所面向的用户，是否使用是可选的；
aud: 接收该JWT的一方，是否使用是可选的；
exp(expires): 什么时候过期，这里是一个Unix时间戳，是否使用是可选的；
iat(issued at): 在什么时候签发的(UNIX时间)，是否使用是可选的；
其他还有：
nbf (Not Before)：如果当前时间在nbf里的时间之前，则Token不被接受；一般都会留一些余地，比如几分钟；，是否使用是可选的；

将上面的JSON对象进行[base64编码]可以得到下面的字符串。这个字符串我们将它称作JWT的Payload（载荷）。

eyJpc3MiOiJKb2huIFd1IEpXVCIsImlhdCI6MTQ0MTU5MzUwMiwiZXhwIjoxNDQxNTk0NzIyLCJhdWQiOiJ3d3cuZXhhbXBsZS5jb20iLCJzdWIiOiJqcm9ja2V0QGV4YW1wbGUuY29tIiwiZnJvbV91c2VyIjoiQiIsInRhcmdldF91c2VyIjoiQSJ9

头部（Header）
JWT还需要一个头部，头部用于描述关于该JWT的最基本的信息，例如其类型以及签名所用的算法等。这也可以被表示成一个JSON对象。

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

在头部指明了签名算法是HS256算法。
当然头部也要进行BASE64编码，编码后的字符串如下：

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9

签名（Signature）
将上面的两个编码后的字符串都用句号.连接在一起（头部在前），就形成了:

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0

最后，我们将上面拼接完的字符串用HS256算法进行加密。在加密的时候，我们还需要提供一个密钥（secret）。如果我们用mystar作为密钥的话，那么就可以得到我们加密后的内容:

rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

最后将这一部分签名也拼接在被签名的字符串后面，我们就得到了完整的JWT:

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0.rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

在我们的请求URL中会带上这串JWT字符串：

https://your.awesome-app.com/make-friend/?jwt=eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0.rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

注意：secret是保存在服务器端的，jwt的签发生成也是在服务器端的，secret就是用来进行jwt的签发和jwt的验证，所以，它就是你服务端的私钥，在任何场景都不应该流露出去。一旦客户端得知这个secret, 那就意味着客户端是可以自我签发jwt了。

2.2 认证过程

请求认证

3.Java实现

Java中对JWT的支持可以考虑使用JJWT开源库；JJWT实现了JWT, JWS, JWE 和 JWA RFC规范。

Generate Tokens

import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import javax.xml.bind.DatatypeConverter;
import java.security.Key;
import io.jsonwebtoken.*;
import java.util.Date;    
 
//Sample method to construct a JWT
private String createJWT(String id, String issuer, String subject, long ttlMillis) {
 
    //The JWT signature algorithm we will be using to sign the token
    SignatureAlgorithm signatureAlgorithm = SignatureAlgorithm.HS256;
 
    long nowMillis = System.currentTimeMillis();
    Date now = new Date(nowMillis);
 
    //We will sign our JWT with our ApiKey secret
    byte[] apiKeySecretBytes = DatatypeConverter.parseBase64Binary(apiKey.getSecret());
    Key signingKey = new SecretKeySpec(apiKeySecretBytes, signatureAlgorithm.getJcaName());
 
    //Let's set the JWT Claims
    JwtBuilder builder = Jwts.builder().setId(id)
                                .setIssuedAt(now)
                                .setSubject(subject)
                                .setIssuer(issuer)
                                .signWith(signatureAlgorithm, signingKey);
 
    //if it has been specified, let's add the expiration
    if (ttlMillis >= 0) {
    long expMillis = nowMillis + ttlMillis;
        Date exp = new Date(expMillis);
        builder.setExpiration(exp);
    }
 
    //Builds the JWT and serializes it to a compact, URL-safe string
    return builder.compact();
}

Decode and Verify Tokens

import javax.xml.bind.DatatypeConverter;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.Claims;
 
//Sample method to validate and read the JWT
private void parseJWT(String jwt) {
 
    //This line will throw an exception if it is not a signed JWS (as expected)
    Claims claims = Jwts.parser()         
       .setSigningKey(DatatypeConverter.parseBase64Binary(apiKey.getSecret()))
       .parseClaimsJws(jwt).getBody();
    System.out.println("ID: " + claims.getId());
    System.out.println("Subject: " + claims.getSubject());
    System.out.println("Issuer: " + claims.getIssuer());
    System.out.println("Expiration: " + claims.getExpiration());
}