JSON Web Token详解

前言：JWT 全称“JSON Web Token”，是实现 Token 的机制。官网： jwt.io/

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。

应用场景

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。

JWT 的结构

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：

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

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：

{
	"sub": "1234567890",
	"name": "Jason",
	"admin": True
}

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：

JWT.io Debugger

如何工作

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 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）

基于 Token 与基于服务器的身份认证

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。

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。

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: *

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!

还有一点，token 在一段时间以后会过期，这个时候用户需要重新登录。这有助于我们保持安全。还有一个概念叫 token 撤销，它允许我们根据相同的授权许可使特定的 token 甚至一组 token 无效。

JWT 与 OAuth 的区别

OAuth2 是一种授权框架，JWT 是一种认证协议。
无论使用哪种方式切记用 HTTPS 来保证数据的安全性。
OAuth2 用在使用第三方账号登录的情况 (比如使用 weibo, qq， github 登录某个 app)，而 JWT 是用在前后端分离，需要简单的对后台 API 进行保护时使用。