JWT （JSON WEB TOKEN）深入浅出

JWT ——JSON WEB TOKEN

一. JWT介绍
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。

JWT使用场景
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，所以还可以验证内容没有被篡改。
JWT结构
JWT包含三部分数据：

Header：头部，通常头部有两部分信息：

声明类型，即token的类型（“JWT”）
算法名称（比如：HMAC SHA256或者RSA等等）。
然后，用Base64对这个JSON编码就得到JWT的第一部分

Payload：载荷，就是有效数据，一般包含下面信息：

用户身份信息（注：这里因为采用base64编码，可解码，因此不要存放敏感信息；除非单独加密）
注册声明：如token的签发时间，过期时间，签发人等
这部分也会采用base64编码，得到JWT第二部分数据

Signature：签名，是整个数据的认证信息。一般根据前两步的数据，再加上服务的的密钥（secret）（不要泄漏，最好周期性更换），通过加密算法生成。用于验证整个数据完整和可靠性。

生成的数据格式：token==个人证件 jwt=个人身份证

官网案例：

其中Encoded栏下，红色部分为头部Header；紫色部分为载荷；蓝色部分为签名。

二. 有状态登录与无状态登录
2.1 有状态登录
有状态服务，即服务端需要记录每次会话的客户端信息，从而识别客户端身份，根据用户身份进行请求的处理，典型的设计如tomcat中的session。

例如登录：用户登录后，我们把登录者的信息保存在服务端session中，并且给用户一个cookie值，记录对应的session。然后下次请求，用户携带cookie值来，我们就能识别到对应session，从而找到用户的信息。

缺点：

服务端保存大量数据，增加服务端压力
服务端保存用户状态，无法进行水平扩展
客户端请求依赖服务端，多次请求必须访问同一台服务器
2.2 无状态登录
微服务集群中的每个服务，对外提供的都是Rest风格的接口。而Rest风格的一个最重要的规范就是：服务的无状态性，即：

服务端不保存任何客户端请求者信息
客户端的每次请求必须具备自描述信息，通过这些信息识别客户端身份
带来的好处：

客户端请求不依赖服务端的信息，任何多次请求不需要必须访问到同一台服务
服务端的集群和状态对客户端透明
服务端可以任意的迁移和伸缩
减小服务端存储压力
2.3 实现无状态
无状态登录的流程：

当客户端第一次请求服务时，服务端对用户进行信息认证（登录）
认证通过，将用户信息进行加密形成token，返回给客户端，作为登录凭证
以后每次请求，客户端都携带认证的token
服务的对token进行解密，判断是否有效。
流程图：

整个登录过程中，最关键的点就是token的安全性！

token是识别客户端身份的唯一标示，如果加密不够严密，被人伪造那就完蛋了。

而采用JWT + RSA非对称加密方式加密能安全可靠。

JWT交互流程：

步骤：

1、用户登录
2、服务的认证，通过后根据secret生成token
3、将生成的token返回给浏览器
4、用户每次请求携带token
5、服务端利用公钥解读jwt签名，判断签名有效后，从Payload中获取用户信息
6、处理请求，返回响应结果
因为JWT签发的token中已经包含了用户的身份信息，并且每次请求都会携带，这样服务的就无需保存用户信息，甚至无需去数据库查询，完全符合了Rest的无状态规范。

非对称加密：
加密技术是对信息进行编码和解码的技术，编码是把原来可读信息（又称明文）译成代码形式（又称密文），其逆过程就是解码（解密），加密技术的要点是加密算法，加密算法可以分为三类：

对称加密，如AES
基本原理：将明文分成N个组，然后使用密钥对各个组进行加密，形成各自的密文，最后把所有的分组密文进行合并，形成最终的密文。
优势：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高
缺陷：双方都使用同样密钥，安全性得不到保证
非对称加密，如RSA
基本原理：同时生成两把密钥：私钥和公钥，私钥隐秘保存，公钥可以下发给信任客户端
私钥加密，持有私钥或公钥才可以解密
公钥加密，持有私钥才可解密
优点：安全，难以破解
缺点：算法比较耗时
不可逆加密，如MD5，SHA
基本原理：加密过程中不需要使用密钥，输入明文后由系统直接经过加密算法处理成密文，这种加密后的数据是无法被解密的，无法根据密文推算出明文。

依赖

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
        <artifactId>jjwt</artifactId>
        <version>0.9.0</version>
    </dependency>

    <!--对时间处理的工具类，用于设置jwt过期时间-->
    <dependency>
        <groupId>joda-time</groupId>
        <artifactId>joda-time</artifactId>
    </dependency>

    <!--StringUtils依赖-->
    <dependency>
        <groupId>org.apache.commons</groupId>
        <artifactId>commons-lang3</artifactId>
    </dependency>

    <!--用于测试jwt公钥与密钥生成-->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

1.RsaUtils

public class RsaUtils {
    /**
     * 从文件中读取公钥
     *
     * @param filename 公钥保存路径，相对于classpath
     * @return 公钥对象
     * @throws Exception
     */
    public static PublicKey getPublicKey(String filename) throws Exception {
        byte[] bytes = readFile(filename);
        return getPublicKey(bytes);
    }

    /**
     * 从文件中读取密钥
     *
     * @param filename 私钥保存路径，相对于classpath
     * @return 私钥对象
     * @throws Exception
     */
    public static PrivateKey getPrivateKey(String filename) throws Exception {
        byte[] bytes = readFile(filename);
        return getPrivateKey(bytes);
    }

    /**
     * 获取公钥
     *
     * @param bytes 公钥的字节形式
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static PublicKey getPublicKey(byte[] bytes) throws Exception {
        X509EncodedKeySpec spec = new X509EncodedKeySpec(bytes);
        KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        return factory.generatePublic(spec);
    }

    /**
     * 获取密钥
     *
     * @param bytes 私钥的字节形式
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static PrivateKey getPrivateKey(byte[] bytes) throws Exception {
        PKCS8EncodedKeySpec spec = new PKCS8EncodedKeySpec(bytes);
        KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance("RSA");
        return factory.generatePrivate(spec);
    }

    /**
     * 根据密文，生存rsa公钥和私钥,并写入指定文件
     *
     * @param publicKeyFilename  公钥文件路径
     * @param privateKeyFilename 私钥文件路径
     * @param secret             生成密钥的密文
     * @throws IOException
     * @throws NoSuchAlgorithmException
     */
    public static void generateKey(String publicKeyFilename, String privateKeyFilename, String secret) throws Exception {
        KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
        SecureRandom secureRandom = new SecureRandom(secret.getBytes());
        keyPairGenerator.initialize(1024, secureRandom);
        KeyPair keyPair = keyPairGenerator.genKeyPair();
        // 获取公钥并写出
        byte[] publicKeyBytes = keyPair.getPublic().getEncoded();
        writeFile(publicKeyFilename, publicKeyBytes);
        // 获取私钥并写出
        byte[] privateKeyBytes = keyPair.getPrivate().getEncoded();
        writeFile(privateKeyFilename, privateKeyBytes);
    }

    private static byte[] readFile(String fileName) throws Exception {
        return Files.readAllBytes(new File(fileName).toPath());
    }

    private static void writeFile(String destPath, byte[] bytes) throws IOException {
        File dest = new File(destPath);
        if (!dest.exists()) {
            dest.createNewFile();
        }
        Files.write(dest.toPath(), bytes);
    }
}

2.ObjectUtils

/**
 * 从jwt解析得到的数据是Object类型，转换为具体类型可能出现空指针，
 * 这个工具类进行了一些转换
 */
public class ObjectUtils {

    public static String toString(Object obj) {
        if (obj == null) {
            return null;
        }
        return obj.toString();
    }

    public static Long toLong(Object obj) {
        if (obj == null) {
            return 0L;
        }
        if (obj instanceof Double || obj instanceof Float) {
            return Long.valueOf(StringUtils.substringBefore(obj.toString(), "."));
        }
        if (obj instanceof Number) {
            return Long.valueOf(obj.toString());
        }
        if (obj instanceof String) {
            return Long.valueOf(obj.toString());
        } else {
            return 0L;
        }
    }

    public static Integer toInt(Object obj) {
        return toLong(obj).intValue();
    }
}

3.JwtUtils

public class JwtUtils {
    /**
     * 私钥加密token
     *
     * @param userInfo      载荷中的数据
     * @param privateKey    私钥
     * @param expireMinutes 过期时间，单位秒
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String generateToken(UserInfo userInfo, PrivateKey privateKey, int expireMinutes) throws Exception {
        return Jwts.builder()
                .claim(JwtConstans.JWT_KEY_ID, userInfo.getId())
                .claim(JwtConstans.JWT_KEY_USER_NAME, userInfo.getUsername())
                .setExpiration(DateTime.now().plusMinutes(expireMinutes).toDate())
                .signWith(SignatureAlgorithm.RS256, privateKey)
                .compact();
    }

    /**
     * 私钥加密token
     *
     * @param userInfo      载荷中的数据
     * @param privateKey    私钥字节数组
     * @param expireMinutes 过期时间，单位秒
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String generateToken(UserInfo userInfo, byte[] privateKey, int expireMinutes) throws Exception {
        return Jwts.builder()
                .claim(JwtConstans.JWT_KEY_ID, userInfo.getId())
                .claim(JwtConstans.JWT_KEY_USER_NAME, userInfo.getUsername())
                .setExpiration(DateTime.now().plusMinutes(expireMinutes).toDate())
                .signWith(SignatureAlgorithm.RS256, RsaUtils.getPrivateKey(privateKey))
                .compact();
    }

    /**
     * 公钥解析token
     *
     * @param token     用户请求中的token
     * @param publicKey 公钥
     * @return
     * @throws Exception
     */
    private static Jws<Claims> parserToken(String token, PublicKey publicKey) {
        return Jwts.parser().setSigningKey(publicKey).parseClaimsJws(token);
    }

    /**
     * 公钥解析token
     *
     * @param token     用户请求中的token
     * @param publicKey 公钥字节数组
     * @return
     * @throws Exception
     */
    private static Jws<Claims> parserToken(String token, byte[] publicKey) throws Exception {
        return Jwts.parser().setSigningKey(RsaUtils.getPublicKey(publicKey))
                .parseClaimsJws(token);
    }

    /**
     * 获取token中的用户信息
     *
     * @param token     用户请求中的令牌
     * @param publicKey 公钥
     * @return 用户信息
     * @throws Exception
     */
    public static UserInfo getInfoFromToken(String token, PublicKey publicKey) throws Exception {
        Jws<Claims> claimsJws = parserToken(token, publicKey);
        Claims body = claimsJws.getBody();
        return new UserInfo(
                ObjectUtils.toLong(body.get(JwtConstans.JWT_KEY_ID)),
                ObjectUtils.toString(body.get(JwtConstans.JWT_KEY_USER_NAME))
        );
    }

    /**
     * 获取token中的用户信息
     *
     * @param token     用户请求中的令牌
     * @param publicKey 公钥
     * @return 用户信息
     * @throws Exception
     */
    public static UserInfo getInfoFromToken(String token, byte[] publicKey) throws Exception {
        Jws<Claims> claimsJws = parserToken(token, publicKey);
        Claims body = claimsJws.getBody();
        return new UserInfo(
                ObjectUtils.toLong(body.get(JwtConstans.JWT_KEY_ID)),
                ObjectUtils.toString(body.get(JwtConstans.JWT_KEY_USER_NAME))
        );
    }
}

4.JwtConstans

public abstract class JwtConstans {
    public static final String JWT_KEY_ID = "id";
    public static final String JWT_KEY_USER_NAME = "username";
}

5.JwtTest

public class JwtTest {

    /*定义保存公钥与密钥的路径*/
    private static final String basicPath ="E:\\test_Jwt\\";

    private static final String pubKeyPath = basicPath+"rsa.pub";//公钥路径
    private static final String priKeyPath = basicPath+"rsa.pri";//私钥路径

    private PublicKey publicKey;

    private PrivateKey privateKey;

    /**
     * 在指定路径生成公钥和私钥
     * @throws Exception
     */
    @Test
    public void testRsa() throws Exception {
        RsaUtils.generateKey(pubKeyPath, priKeyPath, "xsh");//secret为加密盐，实际使用时应越复杂越好，数字+字母+字符组合
    }

    /**
     * 读取公钥和私钥。当没有公钥和私钥时,即第一次运行测试，应先注释掉@Before再运行testRsa()方法生成公钥和私钥,然后取消注释运行其它方法
     * @throws Exception
     */
    @Before
    public void testGetRsa() throws Exception {
        this.publicKey = RsaUtils.getPublicKey(pubKeyPath);
        this.privateKey = RsaUtils.getPrivateKey(priKeyPath);
    }

    @Test
    public void testGenerateToken() throws Exception {
        // 使用私钥生成token，定义过期时间为5分钟，传输信息id=21,username=xsh
        String token = JwtUtils.generateToken(new UserInfo(21L, "xsh"), privateKey, 5);
        System.out.println("token = " + token);
    }

    @Test
    public void testParseToken() throws Exception {
        //token不固定且5分钟过期,需运行testGenerateToken()方法后进行替换
        String token = "eyJhbGciOiJSUzI1NiJ9.eyJpZCI6MjAsInVzZXJuYW1lIjoiamFjayIsImV4cCI6MTU4MDk3MTAyMX0.SK_uYdDzTiHtIk3g0eTdVV9S4i8IyDA_oJ2VktksogmrSL9FmRRykWghakDuFrzNut2nt5zAt1h56vgkj1Y18iB_69Kz2YfkEpZatztlhwn3Wc2GoHLeiuS6Yp3kcyrY1dUQVcUHNOf_StAprOgLDBCBbo3ZDL1uUc0r9-RQqiU";

        // 使用公钥解析token
        UserInfo user = JwtUtils.getInfoFromToken(token, publicKey);
        System.out.println("id: " + user.getId());
        System.out.println("userName: " + user.getUsername());
    }
}

6.yml配置文件

xsh:
  jwt:
    secret: xsh@Login(Auth}*^22)&xsh% # 登录校验的密钥，越复杂越好
    pubKeyPath: E:\\学习\\rsa.pub # 公钥地址
    priKeyPath: E:\\学习\\rsa.pri # 私钥地址
    expire: 30 # 过期时间,单位分钟
    cookieName: XSH_TOKEN

JWT与Session区别

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。
基于服务器的身份认证
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问题和趋势

1、JWT默认不加密，但可以加密。生成原始令牌后，可以使用改令牌再次对其进行加密。

2、当JWT未加密方法时，一些私密数据无法通过JWT传输。

3、JWT不仅可用于认证，还可用于信息交换。善用JWT有助于减少服务器请求数据库的次数。

4、JWT的最大缺点是服务器不保存会话状态，所以在使用期间不可能取消令牌或更改令牌的权限。也就是说，一旦JWT签发，在有效期内将会一直有效。

5、JWT本身包含认证信息，因此一旦信息泄露，任何人都可以获得令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT的有效期不宜设置太长。对于某些重要操作，用户在使用时应该每次都进行进行身份验证。

6、为了减少盗用和窃取，JWT不建议使用HTTP协议来传输代码，而是使用加密的HTTPS协议进行传输。