Json Web Token
Json Web Token
JSON Web Token（缩写 JWT）是目前最流行的跨域认证解决方案
认证问题
一般的认证流程：
1、用户向服务器发送用户名和密码。
2、服务器验证通过后，在当前对话（session）里面保存相关数据，比如用户角色、登录时间等等。
3、服务器向用户返回一个 session_id，写入用户的 Cookie。
4、用户随后的每一次请求，都会通过 Cookie，将 session_id 传回服务器。
5、服务器收到 session_id，找到前期保存的数据，由此得知用户的身份。
这种模式的问题在于，扩展性（scaling）不好。单机当然没有问题，如果是服务器集群，或者是跨域的服务导向架构，就要求 session 数据共享，每台服务器都能够读取 session。
举例来说，A 网站和 B 网站是同一家公司的关联服务。现在要求，用户只要在其中一个网站登录，再访问另一个网站就会自动登录，请问怎么实现？
一种解决方案是 session 数据持久化，写入数据库或别的持久层。各种服务收到请求后，都向持久层请求数据。这种方案的优点是架构清晰，缺点是工程量比较大。另外，持久层万一挂了，就会单点失败。
另一种方案是服务器索性不保存 session 数据了，所有数据都保存在客户端，每次请求都发回服务器。JWT 就是这种方案的一个代表。
JWT原理
JWT 的原理是，服务器认证以后，生成一个 JSON 对象，发回给用户，就像下面这样。
{ "姓名": "张三", "角色": "管理员", "到期时间": "2018年7月1日0点0分" }以后，用户与服务端通信的时候，都要发回这个 JSON 对象。服务器完全只靠这个对象认定用户身份。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（详见后文）。
服务器就不保存任何 session 数据了，也就是说，服务器变成无状态了，从而比较容易实现扩展。
JWT数据结构
实际的 JWT 大概就像下面这样。
它是一个很长的字符串，中间用点（
.）分隔成三个部分。注意，JWT 内部是没有换行的，这里只是为了便于展示，将它写成了几行。JWT 的三个部分依次如下。
- Header（头部）
- Payload（负载）
- Signature（签名）
写成一行，就是下面的样子。
Header.Payload.Signature
下面依次介绍这三个部分。
Header
头部可以表示为一个JSON对象，用来描述JWT的基本信息，例如签名所用的算法。
{
"typ": "JWT",
"alg": "HS256"
}
typ表示这个token的类型，JWT 令牌统一写为JWT。alg表示签名算法。
将这个JSON数据进行Base64URL 编码后，就变成了JWT的Header头部
eyJ0eXAiOiAiSldUIiwgImFsZyI6ICJIUzI1NiJ9
python实现
import json
import base64
header = {
"typ": "JWT",
"alg": "HS256"
}
header_str = base64.urlsafe_b64encode(json.dumps(header).encode("utf-8")).replace(b'=', b'')
print(header_str)
Payload
Payload 部分也是一个 JSON 对象，用来存放实际需要传递的数据。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，你还可以在这个部分定义私有字段，下面就是一个例子。
{ "sub": "1234567890", "name": "John Doe", "admin": true }
注意，JWT 默认是不加密的，任何人都可以读到，所以不要把秘密信息放在这个部分。
这个 JSON 对象也要使用 Base64URL 算法转成字符串。
python实现
import json
import base64
import time
payload = {
# 公传参数
"iss": "233",
"iat": int(time.time()),
"exp": int(time.time()) + 100,
# 自定义参数
"sub": "1234567890",
"name": "John Doe",
"admin": True
}
payload_str = base64.urlsafe_b64encode(json.dumps(payload).encode("utf-8")).replace(b'=', b'')
print(payload_str)
Signature
Signature 部分是对前两部分的签名，防止数据篡改。
首先，需要指定一个密钥（secret）。这个密钥只有服务器才知道，不能泄露给用户。然后，使用 Header 里面指定的签名算法（默认是 HMAC SHA256），按照下面的公式产生签名。
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，就可以返回给用户。
python实现
import json
import base64
import time
import hmac
import hashlib
header = {
"typ": "JWT",
"alg": "HS256"
}
header_str = base64.urlsafe_b64encode(json.dumps(header).encode("utf-8")).replace(b'=', b'')
payload = {
# 公传参数
"iss": "233",
"iat": int(time.time()),
"exp": int(time.time()) + 100,
# 自定义参数
"sub": "1234567890",
"name": "John Doe",
"admin": True
}
payload_str = base64.urlsafe_b64encode(json.dumps(payload).encode("utf-8")).replace(b'=', b'')
secret = "+&0p1d$l$lq%xm0qvet0i++!p-*e1ql*5t!kajgjm$fe_ycjsf"
sign_data = "{}.{}".format(header_str.decode("utf-8"), payload_str.decode("utf-8")).encode("utf-8")
sign = base64.urlsafe_b64encode(hmac.new(secret.encode("utf-8"), sign_data, hashlib.sha256).digest())
Base64URL
前面提到，Header 和 Payload 串型化的算法是 Base64URL。这个算法跟 Base64 算法基本类似，但有一些小的不同。
JWT 作为一个令牌（token），有些场合可能会放到 URL（比如 api.example.com/?token=xxx）。Base64 有三个字符
+、/和=，在 URL 里面有特殊含义，所以要被替换掉：=被省略、+替换成-，/替换成_。这就是 Base64URL 算法。
JWT使用方式
客户端收到服务器返回的 JWT，可以储存在 Cookie 里面，也可以储存在 localStorage。
此后，客户端每次与服务器通信，都要带上这个 JWT。你可以把它放在 Cookie 里面自动发送，但是这样不能跨域，所以更好的做法是放在 HTTP 请求的头信息Authorization字段里面。
Authorization: Bearer <token>
另一种做法是，跨域的时候，JWT 就放在 POST 请求的数据体里面。
Python中JWT使用
安装pyjwt模块
示例
import json
import base64
import time
import hmac
import hashlib
import jwt
header = {
"typ": "JWT",
"alg": "HS256"
}
header_str = base64.urlsafe_b64encode(json.dumps(header).encode("utf-8")).replace(b'=', b'')
payload = {
# 公传参数
"iss": "233",
"iat": int(time.time()),
"exp": int(time.time()) + 100,
# 自定义参数
"sub": "1234567890",
"name": "John Doe",
"admin": True
}
payload_str = base64.urlsafe_b64encode(json.dumps(payload).encode("utf-8")).replace(b'=', b'')
secret = "+&0p1d$l$lq%xm0qvet0i++!p-*e1ql*5t!kajgjm$fe_ycjsf"
sign_data = "{}.{}".format(header_str.decode("utf-8"), payload_str.decode("utf-8")).encode("utf-8")
sign = base64.urlsafe_b64encode(hmac.new(secret.encode("utf-8"), sign_data, hashlib.sha256).digest()).replace(b'=', b'')
print("{}.{}.{}".format(
header_str.decode("utf-8"),
payload_str.decode("utf-8"),
sign.decode("utf-8"),
))
# 用模块生成
encoded = jwt.encode(payload, secret.encode("utf-8"), algorithm='HS256')
encoded_str = str(encoded, encoding='utf-8')
print(encoded_str)
print(encoded)
info = jwt.decode(encoded_str, secret, algorithm='HS256')
print(info)
认证
import json
import hmac
import base64
import hashlib
import time
jwt = request.META.get("HTTP_AUTHORIZATION")
# 获取到 `token`
jwt = jwt.encode(jwt.DEFAULT_CHARSET)
signing_input, crypto_segment = jwt.rsplit(b'.', 1)
header_segment, payload_segment = signing_input.split(b'.', 1)
header_data = base64.urlsafe_b64decode(header_segment)
header = json.loads(header_data.decode(settings.DEFAULT_CHARSET))
payload = base64.urlsafe_b64decode(payload_segment)
signature = base64.urlsafe_b64decode(crypto_segment)
# return payload, signing_input, header, signature
alg = header.get('alg')
if not alg:
print("没有算法")
raise ValueError("alg is not null")
key = settings.SECRET_KEY.encode(encoding=settings.DEFAULT_CHARSET)
if not hmac.compare_digest(signature, hmac.new(key, signing_input, hashlib.sha256).digest()):
print("验证失败")
payload_dic = json.loads(payload.decode("utf-8"))
# 过期时间校验
if not payload_dic.get("exp") > int(time.time()):
print("jwt过期了")
JWT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
