认识JWT

前言

HTTP协议是一种无状态的协议，这意味着用户提供账号和密码进行登录认证后，下次再请求的时候，仍然需要认证，因为服务器并不知道是谁发送的请求，并不知道该用户已经认证过一次。　所以为了解决这一问题，保持客户端与服务端的会话状态，在服务器的缓存中需要为每位用户分配一份存储空间，用于存储用户的个人登录信息等，且每份存储空间有个唯一标识ID作为自己的身份证；　这样在作响应的时候，将该ID返回给浏览器，浏览器存储到本地，以便后续再次请求时都可以携带着这个ID，服务器就能根据这个ID去对应缓存空间中去查找是否存在对应的存储区，能找到则表示该用户之前已经访问过了，存储区存储的登录信息等也可以直接使用，就不用再次登录了。

这就是传统的基于session+cookie的会话保持技术。session是存在于服务端的一个缓存区，相当于一个存储数据的map数据结构，每个session对应着自己的sessionId；而cookie则是存在于客户端浏览器的一种数据存储区。

上述描述的流程实际就是浏览器在第一次访问服务器时分配session空间和生成sessionID，并将sessionID存储在响应头的Set-Cookie属性中；浏览器会专门处理Cookie数据并进行存储，然后在下次发起请求的时候，会在请求头的Cookie字段中携带上之前存储的Cookie数据，也就是sessionID；服务器在收到请求后先在请求头的Cookie中拿到sessionID，这样后续就能找到和操作专属于这个用户的数据存储区了。

所以常见的登录认证流程就是用户登录后将用户基本信息放到session存储区中，下次再次请求的时候用户就不需要再次进行登录了，服务器会直接从seesion中拿到你的id等数据，然后根据具体业务逻辑到数据库中查询和处理数据等。

但是这种基于Session的会话保持技术存在很多弊端，如：

随着用户增加服务器的开销也会显然增大；
在处理分布式应用的情境下会相应的限制负载均衡器的能力；
Cookie存储在客户端，如果被拦截窃取，会很容易受到CSRF跨域伪造请求攻击；
除浏览器之外的其他设备对Cookie的支持并不友好，对跨平台支持不好；

JWT的出现就是为了解决传统Session+Cookie技术存在的各种问题，实际上随着前后端分离的发展，以及数据中心的建立，越来越多的公司会创建一个中心服务器，同时服务于各种产品线，如：统一身份认证平台；这些产品线上的产品，它们可能有着各种终端设备，包括但不仅限于浏览器、桌面应用、移动端应用、平板应用、甚至智能家居。

1. JSON Web Token是什么

JSON Web Token (JWT)是一个开放标准(RFC 7519)，它定义了一种紧凑的、自包含的方式，用于作为JSON对象在各方之间安全地传输信息。该信息可以被验证和信任，因为它是数字签名的。

2. 什么时候你应该用JSON Web Tokens

下列场景中使用JSON Web Token是很有用的：

Authorization (授权) : 这是使用JWT的最常见场景。一旦用户登录，后续每个请求都将包含JWT，允许用户访问该令牌允许的路由、服务和资源。单点登录是现在广泛使用的JWT的一个特性，因为它的开销很小，并且可以轻松地跨域使用。
Information Exchange (信息交换) : 对于安全的在各方之间传输信息而言，JSON Web Tokens无疑是一种很好的方式。因为JWTs可以被签名，例如，用公钥/私钥对，你可以确定发送人就是它们所说的那个人。另外，由于签名是使用头和有效负载计算的，您还可以验证内容没有被篡改。

3. JSON Web Token的结构是什么样的

JSON Web Token由三部分组成，它们之间用圆点(.)连接。这三部分分别是：

Header
Payload
Signature

因此，一个典型的JWT看起来是这个样子的：

xxxxx.yyyyy.zzzzz

接下来，具体看一下每一部分：

Header

header典型的由两部分组成：token的类型（“JWT”）和算法名称（比如：HMAC SHA256或者RSA等等）。

例如：

然后，用Base64对这个JSON编码就得到JWT的第一部分

Payload

JWT的第二部分是payload，它包含声明（要求）。声明是关于实体(通常是用户)和其他数据的声明。声明有三种类型: registered, public 和 private。

Registered claims : 这里有一组预定义的声明，它们不是强制的，但是推荐。比如：iss (issuer), exp (expiration time), sub (subject), aud (audience)等。
Public claims : 可以随意定义。
Private claims : 用于在同意使用它们的各方之间共享信息，并且不是注册的或公开的声明。

下面是一个例子：

对payload进行Base64编码就得到JWT的第二部分

注意，不要在JWT的payload或header中放置敏感信息，除非它们是加密的。

Signature

为了得到签名部分，你必须有编码过的header、编码过的payload、一个秘钥，签名算法是header中指定的那个，然对它们签名即可。

例如：

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

签名是用于验证消息在传递过程中有没有被更改，并且，对于使用私钥签名的token，它还可以验证JWT的发送方是否为它所称的发送方。

看一张官网的图就明白了：

4. JSON Web Tokens是如何工作的

在认证的时候，当用户用他们的凭证成功登录以后，一个JSON Web Token将会被返回。此后，token就是用户凭证了，你必须非常小心以防止出现安全问题。一般而言，你保存令牌的时候不应该超过你所需要它的时间。

无论何时用户想要访问受保护的路由或者资源的时候，用户代理（通常是浏览器）都应该带上JWT，典型的，通常放在Authorization header中，用Bearer schema。

header应该看起来是这样的：

Authorization: Bearer <token>

服务器上的受保护的路由将会检查Authorization header中的JWT是否有效，如果有效，则用户可以访问受保护的资源。如果JWT包含足够多的必需的数据，那么就可以减少对某些操作的数据库查询的需要，尽管可能并不总是如此。

如果token是在授权头（Authorization header）中发送的，那么跨源资源共享(CORS)将不会成为问题，因为它不使用cookie。

下面这张图显示了如何获取JWT以及使用它来访问APIs或者资源：

应用（或者客户端）想授权服务器请求授权。例如，如果用授权码流程的话，就是/oauth/authorize
当授权被许可以后，授权服务器返回一个access token给应用
应用使用access token访问受保护的资源（比如：API）

5. 基于Token的身份认证与基于服务器的身份认证

5.1. 基于服务器的身份认证

在讨论基于Token的身份认证是如何工作的以及它的好处之前，我们先来看一下以前我们是怎么做的：

HTTP协议是无状态的，也就是说，如果我们已经认证了一个用户，那么他下一次请求的时候，服务器不知道我是谁，我们必须再次认证

传统的做法是将已经认证过的用户信息存储在服务器上，比如Session。用户下次请求的时候带着Session ID，然后服务器以此检查用户是否认证过。

这种基于服务器的身份认证方式存在一些问题：

Sessions : 每次用户认证通过以后，服务器需要创建一条记录保存用户信息，通常是在内存中，随着认证通过的用户越来越多，服务器的在这里的开销就会越来越大。
Scalability : 由于Session是在内存中的，这就带来一些扩展性的问题。
CORS : 当我们想要扩展我们的应用，让我们的数据被多个移动设备使用时，我们必须考虑跨资源共享问题。当使用AJAX调用从另一个域名下获取资源时，我们可能会遇到禁止请求的问题。
CSRF : 用户很容易受到CSRF攻击。

5.2. JWT与Session的差异

相同点是，它们都是存储用户信息；然而，Session是在服务器端的，而JWT是在客户端的。

Session方式存储用户信息的最大问题在于要占用大量服务器内存，增加服务器的开销。

而JWT方式将用户状态分散到了客户端中，可以明显减轻服务端的内存压力。

Session的状态是存储在服务器端，客户端只有session id；而Token的状态是存储在客户端。

5.3. 基于Token的身份认证是如何工作的

基于Token的身份认证是无状态的，服务器或者Session中不会存储任何用户信息。

没有会话信息意味着应用程序可以根据需要扩展和添加更多的机器，而不必担心用户登录的位置。

虽然这一实现可能会有所不同，但其主要流程如下：

用户携带用户名和密码请求访问
服务器校验用户凭据
应用提供一个token给客户端
客户端存储token，并且在随后的每一次请求中都带着它
服务器校验token并返回数据

注意：

每一次请求都需要token
Token应该放在请求header中
我们还需要将服务器设置为接受来自所有域的请求，用Access-Control-Allow-Origin: *

5.4. 用Token的好处

无状态和可扩展性：Tokens存储在客户端。完全无状态，可扩展。我们的负载均衡器可以将用户传递到任意服务器，因为在任何地方都没有状态或会话信息。
安全：Token不是Cookie。（The token, not a cookie.）每次请求的时候Token都会被发送。而且，由于没有Cookie被发送，还有助于防止CSRF攻击。即使在你的实现中将token存储到客户端的Cookie中，这个Cookie也只是一种存储机制，而非身份认证机制。没有基于会话的信息可以操作，因为我们没有会话!