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搞懂 JWT 这个知识点

程序员成长指北

共 5088字，需浏览 11分钟

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2020-09-22 14:38

什么是 JWT

概念

JSON Web Token（简称 JWT）是目前最流行的跨域认证解决方案。

JWT 原理

JWT 组成

JWT 由三部分组成:Header，Payload，Signature 三个部分组成，并且最后由.拼接而成。

Header

Header 部分是一个 JSON 对象，描述 JWT 的元数据，通常是下面的样子。

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

上面代码中，alg 属性表示签名的算法（algorithm），默认是 HMAC SHA256（写成 HS256）；typ 属性表示这个令牌（token）的类型（type），JWT 令牌统一写为 JWT。

最后将上面的 JSON 对象使用 Base64URL 算法转成字符串。

Payload

Payload 中由 Registered Claim 以及需要通信的数据组成。它也是 JSON 格式，另外这些数据字段也叫 Claim。JWT 规定了7个官方字段如下

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

除了官方的字段外你也可以自定义一些字段，比如 user_id，name 等

Registered Claim 中比较重要的是 "exp" Claim 表示过期时间，在用户登录时会设置过期时间，用于后面过期校验。

const payload = {
  // 表示 jwt 创建时间
  iat: 1532135735,

  // 表示 jwt 过期时间
  exp: 1532136735,

  // 用户 id，用以通信
  user_id: 123456
}

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。

// 由 HMACSHA256 算法进行签名，secret 不能外泄
const sign = HMACSHA256(base64.encode(header) + '.' + base64.encode(payload), secret)

// jwt 由三部分拼接而成
const jwt = base64.encode(header) + '.' + base64.encode(payload) + '.' + sign

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，。

JWT 校验原理

图片总是更清晰:

通过前面讲解的 jwt 生成规则，jwt 前两部分是对 header 以及 payload 的 base64 编码。 当服务器收到客户端的 token 后，解析前两部分得到 header 以及 payload，并使用 header 中的算法与 服务端本地私有 secret 进行签名，判断与 jwt 中携带的签名是否一致。

编码扩展知识

  • base64

    由于 ASCII 码称为了国际标准，所以我们要把其它字符转成 ASCII 就要用到 base64。

    utf-8 -> base64(编码) -> ASCII

    ASCII -> base64(解码) -> utf-8

    这样就可以让只支持 ASCII 的计算机支持 utf-8 了。

    base64 几个特点 :2进制的；要比源数据多33%；常用于邮件； = 号的个数是由 /3 的余数来决定的，最多能有 2 个 = 号；

    主要用于初步的加密（非明文可见）和安全的网络传输。

  • UrlEncode

    例子：www.baidu.com?a=nihao

    上面的例子可以看出 a 的值是你好

    如果要把 a 的值换成 “=” 字符呢？这样吗：www.baidu.com?a== ，肯定不行啦，“=” 是特殊字符

    所以把 “=” UrlEncode后 “%3d”

    www.baidu.com?a=%3d

    服务器拿到 a 解码得到 “=”

    所以说 url 是限制性编码

看完这两个编码应该明白为什么上面base64.encode这种格式转换。JWT  作为一个令牌（token），有些场合可能会放到 URL（比如 www.inode.club/?token=xxx)

JWT 与 Session 对比

有无状态对比

  • Session

    Session 是一种记录服务器和客户端会话状态的机制，需要在数据库或者 Redis 中保存用户信息和token信息，所以它是有状态的。

  • JWT 看完了前面的 JWT 结构和 JWT 校验原理，在后端并不需要存储数据，直接通过私有密钥验证就可以了。

当有这样的一个需求，一家公司下同时关联了多个业务，A业务网站，B业务网站，但是现在要求用户在A网站登陆过，再访问B网站的时候能够自动登陆，JWT 就可以很快的实现这个需求，把 JWT 直接存储在前端，后端只要校验 JWT 就可以了。

注:这个需求用 session 也是可以实现的，只是会存储状态，查询存储，没有 JWT 方便而已。

适用场景对比

邮箱验证

很多网站在注册成功后添加了邮箱验证功能，功能实现：用户注册成功后，完善邮箱，服务端会给用户邮箱发一个链接，用户点开链接校验成功，这个功能使用 JWT 是个不错的选择。

// 把邮箱以及用户id绑定在一起，设置生效时间
const code = jwt.sign({ email, userId }, secret, { expiresIn: 60 * 30 })

// 在此链接校验验证码
const link = `https://www.inode.club/code=${code}`

做那些短期的验证需求(强烈推荐的场景)

比如在 BFF 层，用 JWT 去验证传递一些数据还是不错的选择，可以把有效时间设置的短一些，过期了就需要重新去请求，我这么直接表述你可能还不太懂，举个现实生活中的例子。

我们上学的时候，有班主任和学科老师这两个概念，有一天你想请假，你需要先去找班主任开一个请假条，然后请教条你的班主任签完字之后，你会将请假条交给你的学科课教师，学科教师确认签字无误后，把请假条收了，并在请假记录表中作出了相应记录。

上面的例子中，“请假申请单”就是JWT中的payload，领导签字就是base64后的数字签名，领导是issuer，“学科教师的老王”即为JWT的audience，audience需要验证班主任签名是否合法，验证合法后根据payload中请求的资源给予相应的权限，同时将JWT收回。

放到一些系统集成的应用场景中，例如我前面说的 BFF 中其实 JWT 更适合一次性操作的认证：

服务 B 你好, 服务 A 告诉我，我可以操作 , 这是我的凭证（即 JWT ）

在这里，服务 A 负责认证用户身份（类似于上例班主任批准请假），并颁布一个很短过期时间的JWT给浏览器（相当于上例的请假单），浏览器（相当于上例请假的我们）在向服务 B 的请求中带上该 JWT，则服务 B（相当于上例的任课教师）可以通过验证该 JWT 来判断用户是否有权限执行该操作。通过这样，服务 B 就成为一个安全的无状态的服务。

个人还是认为 JWT 更适合做一些一次性的安全认证，好多其他场景考虑多了之后又做回了 session，传统的 cookie-session 机制工作得更好，但是对于一次性的安全认证，颁发一个有效期极短的JWT，即使暴露了危险也很小。上面的邮箱验证其实也是一次性的安全认证。

跨域认证

因为 JWT 并不使用 Cookie ，所以你可以使用任何域名提供你的 API 服务而不需要担心跨域资源共享问题（CORS）。JWT 确实是跨域认证的一个解决方案，但是对于跨域场景时要注意一点。 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另一种做法是，跨域的时候，JWT 就放在 POST 请求的数据体里面。

跨域知识扩展

跨域这两个字就像一块狗皮膏药一样黏在每一个开发者身上，无论你在工作上或者面试中无可避免会遇到这个问题。为了应付面试，我们每次都随便背几个方案。但是如果突然问你为什么会有跨域这个问题出现？ ...停顿几秒，这里只是普及一下，知道的可以忽略掉。

推荐一篇很棒的跨域文章：https://segmentfault.com/a/1190000015597029

登陆验证

登陆验证:不需要控制登录设备数量以及注销登陆情况，无状态的 jwt 是一个不错的选择。具体实现流程，可以看上文中的校验原理，校验原理使用的登陆验证例子。

当需求中出现控制登陆设备数量，或者可以注销掉用户时，可以考虑使用原有的 session 模式，因为针对这种登陆需求，需要进行的状态存储对 jwt 添加额外的状态支持，增加了认证的复杂度，此时选用 session 是一个不错的选择。 针对上面的特殊需求，可能也有小伙伴仍喜欢使用 jwt ，补充一下特殊案例

注销登陆

用户注销时候要考虑 token 的过期时间。

  • session: 只需要把 user_id 对应的 token 清掉即可 ;
  • jwt: 使用 redis，需要维护一张黑名单，用户注销时把该 token 加入黑名单，过期时间与 jwt 的过期时间保持一致。
用户登陆设备控制

  • session: 使用 sql 类数据库，维护一个用户验证token表，每次登陆重置表中 token 字段，每次请求需要权限接口时，根据 token 查找 user_id(也可以使用 redis 维护 token 数据的存储)

  • jwt: 假使使用 sql 类数据库，维护一个用户验证token表，表中添加 token 字段，每次登陆重置 token 字段，每次请求需要权限接口时，根据 jwt 获取 user_id，根据 user_id 查用户表获取 token 判断 token 是否一致。(也可以使用 redis 维护 token 数据的存储)

适合做那些事来讲的，其实也就是针对JWT的优势来说的，还有一些辩证性的理解。接下来说说 JWT 的缺点。

JWT 注意事项(缺点)

  1. 更多的空间占用。如果将原存在服务端session中的信息都放在JWT中保存,会造成JWT占用的空间变大，需要考虑客户端cookie的空间限制等因素，如果放在Local Storage，则可能会受到 XSS 攻击。
  2. 无法作废已颁布的令牌。JWT 使用时由于服务器不需要存储 Session 状态，因此使用过程中无法废弃某个 Token 或者更改 Token 的权限。也就是说一旦 JWT 签发了，到期之前就会始终有效，除非服务器部署额外的逻辑。
  3. 用户信息安全。通过J WT 的组成结构可以看出，Payload 存储的一些用户信息，它是通过Base64加密的，可以直接解密，不能将秘密数据写入 JWT，如果使用需要对 JWT 进行二次加密。

缺点与优势都知道了，我想怎么选就看你自己了。

总结

本文对 JWT 进行的一个辩证的讲解，优势和缺点，以及个人认为合适的适用场景，JWT 并不是银弹，是否采用 JWT，一定要多考虑一下业务场景。希望本文让小伙伴们对 JWT 认识的更好些。

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