JSON Web Token （JWT）入門(mén)教程

　　JSON Web Token(縮寫(xiě) JWT)是目前最流行的跨域認(rèn)證解決方案，本文介紹它的原理和用法。

　　一、跨域認(rèn)證的問(wèn)題

　　互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)離不開(kāi)用戶(hù)認(rèn)證。一般流程是下面這樣。

　　1、用戶(hù)向服務(wù)器發(fā)送用戶(hù)名和密碼。

　　2、服務(wù)器驗(yàn)證通過(guò)后，在當(dāng)前對(duì)話(huà)(session)里面保存相關(guān)數(shù)據(jù)，比如用戶(hù)角色、登錄時(shí)間等等。

　　3、服務(wù)器向用戶(hù)返回一個(gè) session_id，寫(xiě)入用戶(hù)的 Cookie。

　　4、用戶(hù)隨后的每一次請(qǐng)求，都會(huì)通過(guò) Cookie，將 session_id 傳回服務(wù)器。

　　5、服務(wù)器收到 session_id，找到前期保存的數(shù)據(jù)，由此得知用戶(hù)的身份。

　　這種模式的問(wèn)題在于，擴(kuò)展性(scaling)不好。單機(jī)當(dāng)然沒(méi)有問(wèn)題，如果是服務(wù)器集群，或者是跨域的服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)，就要求 session 數(shù)據(jù)共享，每臺(tái)服務(wù)器都能夠讀取 session。

　　舉例來(lái)說(shuō)，A 網(wǎng)站和 B 網(wǎng)站是同一家公司的關(guān)聯(lián)服務(wù)。現(xiàn)在要求，用戶(hù)只要在其中一個(gè)網(wǎng)站登錄，再訪問(wèn)另一個(gè)網(wǎng)站就會(huì)自動(dòng)登錄，請(qǐng)問(wèn)怎么實(shí)現(xiàn)?

　　一種解決方案是 session 數(shù)據(jù)持久化，寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)或別的持久層。各種服務(wù)收到請(qǐng)求后，都向持久層請(qǐng)求數(shù)據(jù)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是架構(gòu)清晰，缺點(diǎn)是工程量比較大。另外，持久層萬(wàn)一掛了，就會(huì)單點(diǎn)失敗。

　　另一種方案是服務(wù)器索性不保存 session 數(shù)據(jù)了，所有數(shù)據(jù)都保存在客戶(hù)端，每次請(qǐng)求都發(fā)回服務(wù)器。JWT 就是這種方案的一個(gè)代表。

　　二、JWT 的原理

　　JWT 的原理是，服務(wù)器認(rèn)證以后，生成一個(gè) JSON 對(duì)象，發(fā)回給用戶(hù)，就像下面這樣。

　　{

　　"姓名": "張三",

　　"角色": "管理員",

　　"到期時(shí)間": "2018年7月1日0點(diǎn)0分"

　　}

　　以后，用戶(hù)與服務(wù)端通信的時(shí)候，都要發(fā)回這個(gè) JSON 對(duì)象。服務(wù)器完全只靠這個(gè)對(duì)象認(rèn)定用戶(hù)身份。為了防止用戶(hù)篡改數(shù)據(jù)，服務(wù)器在生成這個(gè)對(duì)象的時(shí)候，會(huì)加上簽名(詳見(jiàn)后文)。

　　服務(wù)器就不保存任何 session 數(shù)據(jù)了，也就是說(shuō)，服務(wù)器變成無(wú)狀態(tài)了，從而比較容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

　　三、JWT 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　實(shí)際的 JWT 大概就像下面這樣。

　　它是一個(gè)很長(zhǎng)的字符串，中間用點(diǎn)(.)分隔成三個(gè)部分。注意，JWT 內(nèi)部是沒(méi)有換行的，這里只是為了便于展示，將它寫(xiě)成了幾行。

　　JWT 的三個(gè)部分依次如下。

　　Header(頭部)

　　Payload(負(fù)載)

　　Signature(簽名)

　　寫(xiě)成一行，就是下面的樣子。

　　Header.Payload.Signature

　　下面依次介紹這三個(gè)部分。

　　3.1 Header

　　Header 部分是一個(gè) JSON 對(duì)象，描述 JWT 的元數(shù)據(jù)，通常是下面的樣子。

　　{

　　"alg": "HS256",

　　"typ": "JWT"

　　}

　　上面代碼中，alg屬性表示簽名的算法(algorithm)，默認(rèn)是 HMAC SHA256(寫(xiě)成 HS256);typ屬性表示這個(gè)令牌(token)的類(lèi)型(type)，JWT 令牌統(tǒng)一寫(xiě)為JWT。

　　最后，將上面的 JSON 對(duì)象使用 Base64URL 算法(詳見(jiàn)后文)轉(zhuǎn)成字符串。

　　3.2 Payload

　　Payload 部分也是一個(gè) JSON 對(duì)象，用來(lái)存放實(shí)際需要傳遞的數(shù)據(jù)。JWT 規(guī)定了7個(gè)官方字段，供選用。

　　iss (issuer)：簽發(fā)人

　　exp (expiration time)：過(guò)期時(shí)間

　　sub (subject)：主題

　　aud (audience)：受眾

　　nbf (Not Before)：生效時(shí)間

　　iat (Issued At)：簽發(fā)時(shí)間

　　jti (JWT ID)：編號(hào)

　　除了官方字段，你還可以在這個(gè)部分定義私有字段，下面就是一個(gè)例子。

　　{

　　"sub": "1234567890",

　　"name": "John Doe",

　　"admin": true

　　}

　　注意，JWT 默認(rèn)是不加密的，任何人都可以讀到，所以不要把秘密信息放在這個(gè)部分。

　　這個(gè) JSON 對(duì)象也要使用 Base64URL 算法轉(zhuǎn)成字符串。

　　3.3 Signature

　　Signature 部分是對(duì)前兩部分的簽名，防止數(shù)據(jù)篡改。

　　首先，需要指定一個(gè)密鑰(secret)。這個(gè)密鑰只有服務(wù)器才知道，不能泄露給用戶(hù)。然后，使用 Header 里面指定的簽名算法(默認(rèn)是 HMAC SHA256)，按照下面的公式產(chǎn)生簽名。

　　HMACSHA256(

　　base64UrlEncode(header) + "." +

　　base64UrlEncode(payload),

　　secret)

　　算出簽名以后，把 Header、Payload、Signature 三個(gè)部分拼成一個(gè)字符串，每個(gè)部分之間用"點(diǎn)"(.)分隔，就可以返回給用戶(hù)。

　　3.4 Base64URL

　　前面提到，Header 和 Payload 串型化的算法是 Base64URL。這個(gè)算法跟 Base64 算法基本類(lèi)似，但有一些小的不同。

　　JWT 作為一個(gè)令牌(token)，有些場(chǎng)合可能會(huì)放到 URL(比如 api.example.com/?token=xxx)。Base64 有三個(gè)字符+、/和=，在 URL 里面有特殊含義，所以要被替換掉：=被省略、+替換成-，/替換成_ 。這就是 Base64URL 算法。

　　四、JWT 的使用方式

　　客戶(hù)端收到服務(wù)器返回的 JWT，可以?xún)?chǔ)存在 Cookie 里面，也可以?xún)?chǔ)存在 localStorage。

　　此后，客戶(hù)端每次與服務(wù)器通信，都要帶上這個(gè) JWT。你可以把它放在 Cookie 里面自動(dòng)發(fā)送，但是這樣不能跨域，所以更好的做法是放在 HTTP 請(qǐng)求的頭信息Authorization字段里面。

　　Authorization: Bearer

　　另一種做法是，跨域的時(shí)候，JWT 就放在 POST 請(qǐng)求的數(shù)據(jù)體里面。

　　五、JWT 的幾個(gè)特點(diǎn)

　　(1)JWT 默認(rèn)是不加密，但也是可以加密的。生成原始 Token 以后，可以用密鑰再加密一次。

　　(2)JWT 不加密的情況下，不能將秘密數(shù)據(jù)寫(xiě)入 JWT。

　　(3)JWT 不僅可以用于認(rèn)證，也可以用于交換信息。有效使用 JWT，可以降低服務(wù)器查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)的次數(shù)。

　　(4)JWT 的最大缺點(diǎn)是，由于服務(wù)器不保存 session 狀態(tài)，因此無(wú)法在使用過(guò)程中廢止某個(gè) token，或者更改 token 的權(quán)限。也就是說(shuō)，一旦 JWT 簽發(fā)了，在到期之前就會(huì)始終有效，除非服務(wù)器部署額外的邏輯。

　　(5)JWT 本身包含了認(rèn)證信息，一旦泄露，任何人都可以獲得該令牌的所有權(quán)限。為了減少盜用，JWT 的有效期應(yīng)該設(shè)置得比較短。對(duì)于一些比較重要的權(quán)限，使用時(shí)應(yīng)該再次對(duì)用戶(hù)進(jìn)行認(rèn)證。

　　(6)為了減少盜用，JWT 不應(yīng)該使用 HTTP 協(xié)議明碼傳輸，要使用 HTTPS 協(xié)議傳輸。

　　作者：傳智播客Python培訓(xùn)學(xué)院

　　首發(fā)：http://python.itcast.cn/