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title: JWT 基础概念详解
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category: 系统设计
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- 安全
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<!-- @include: @article-header.snippet.md -->
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## 什么是 JWT?
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JWT (JSON Web Token) 是目前最流行的跨域认证解决方案,是一种基于 Token 的认证授权机制。 从 JWT 的全称可以看出,JWT 本身也是 Token,一种规范化之后的 JSON 结构的 Token。
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JWT 自身包含了身份验证所需要的所有信息,因此,我们的服务器不需要存储 Session 信息。这显然增加了系统的可用性和伸缩性,大大减轻了服务端的压力。
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可以看出,**JWT 更符合设计 RESTful API 时的「Stateless(无状态)」原则** 。
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并且, 使用 JWT 认证可以有效避免 CSRF 攻击,因为 JWT 一般是存在在 localStorage 中,使用 JWT 进行身份验证的过程中是不会涉及到 Cookie 的。
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我在 [JWT 优缺点分析](./advantages-and-disadvantages-of-jwt.md)这篇文章中有详细介绍到使用 JWT 做身份认证的优势和劣势。
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下面是 [RFC 7519](https://tools.ietf.org/html/rfc7519) 对 JWT 做的较为正式的定义。
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> JSON Web Token (JWT) is a compact, URL-safe means of representing claims to be transferred between two parties. The claims in a JWT are encoded as a JSON object that is used as the payload of a JSON Web Signature (JWS) structure or as the plaintext of a JSON Web Encryption (JWE) structure, enabling the claims to be digitally signed or integrity protected with a Message Authentication Code (MAC) and/or encrypted. ——[JSON Web Token (JWT)](https://tools.ietf.org/html/rfc7519)
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## JWT 由哪些部分组成?
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![此图片来源于:https://supertokens.com/blog/oauth-vs-jwt](https://oss.javaguide.cn/javaguide/system-design/jwt/jwt-composition.png)
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JWT 本质上就是一组字串,通过(`.`)切分成三个为 Base64 编码的部分:
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- **Header** : 描述 JWT 的元数据,定义了生成签名的算法以及 `Token` 的类型。
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- **Payload** : 用来存放实际需要传递的数据
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- **Signature(签名)**:服务器通过 Payload、Header 和一个密钥(Secret)使用 Header 里面指定的签名算法(默认是 HMAC SHA256)生成。
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JWT 通常是这样的:`xxxxx.yyyyy.zzzzz`。
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示例:
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```plain
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eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.
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eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.
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SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c
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```
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你可以在 [jwt.io](https://jwt.io/) 这个网站上对其 JWT 进行解码,解码之后得到的就是 Header、Payload、Signature 这三部分。
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Header 和 Payload 都是 JSON 格式的数据,Signature 由 Payload、Header 和 Secret(密钥)通过特定的计算公式和加密算法得到。
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![](https://oss.javaguide.cn/javaguide/system-design/jwt/jwt.io.png)
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### Header
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Header 通常由两部分组成:
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- `typ`(Type):令牌类型,也就是 JWT。
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- `alg`(Algorithm):签名算法,比如 HS256。
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示例:
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```json
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{
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"alg": "HS256",
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"typ": "JWT"
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}
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```
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JSON 形式的 Header 被转换成 Base64 编码,成为 JWT 的第一部分。
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### Payload
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Payload 也是 JSON 格式数据,其中包含了 Claims(声明,包含 JWT 的相关信息)。
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Claims 分为三种类型:
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- **Registered Claims(注册声明)**:预定义的一些声明,建议使用,但不是强制性的。
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- **Public Claims(公有声明)**:JWT 签发方可以自定义的声明,但是为了避免冲突,应该在 [IANA JSON Web Token Registry](https://www.iana.org/assignments/jwt/jwt.xhtml) 中定义它们。
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- **Private Claims(私有声明)**:JWT 签发方因为项目需要而自定义的声明,更符合实际项目场景使用。
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下面是一些常见的注册声明:
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- `iss`(issuer):JWT 签发方。
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- `iat`(issued at time):JWT 签发时间。
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- `sub`(subject):JWT 主题。
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- `aud`(audience):JWT 接收方。
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- `exp`(expiration time):JWT 的过期时间。
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- `nbf`(not before time):JWT 生效时间,早于该定义的时间的 JWT 不能被接受处理。
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- `jti`(JWT ID):JWT 唯一标识。
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示例:
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```json
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{
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"uid": "ff1212f5-d8d1-4496-bf41-d2dda73de19a",
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"sub": "1234567890",
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"name": "John Doe",
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"exp": 15323232,
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"iat": 1516239022,
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"scope": ["admin", "user"]
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}
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```
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Payload 部分默认是不加密的,**一定不要将隐私信息存放在 Payload 当中!!!**
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JSON 形式的 Payload 被转换成 Base64 编码,成为 JWT 的第二部分。
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### Signature
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Signature 部分是对前两部分的签名,作用是防止 JWT(主要是 payload) 被篡改。
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这个签名的生成需要用到:
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- Header + Payload。
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- 存放在服务端的密钥(一定不要泄露出去)。
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- 签名算法。
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签名的计算公式如下:
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```plain
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HMACSHA256(
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base64UrlEncode(header) + "." +
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base64UrlEncode(payload),
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secret)
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```
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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,这个字符串就是 JWT 。
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## 如何基于 JWT 进行身份验证?
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在基于 JWT 进行身份验证的的应用程序中,服务器通过 Payload、Header 和 Secret(密钥)创建 JWT 并将 JWT 发送给客户端。客户端接收到 JWT 之后,会将其保存在 Cookie 或者 localStorage 里面,以后客户端发出的所有请求都会携带这个令牌。
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![ JWT 身份验证示意图](https://oss.javaguide.cn/github/javaguide/system-design/jwt/jwt-authentication%20process.png)
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简化后的步骤如下:
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1. 用户向服务器发送用户名、密码以及验证码用于登陆系统。
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2. 如果用户用户名、密码以及验证码校验正确的话,服务端会返回已经签名的 Token,也就是 JWT。
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3. 用户以后每次向后端发请求都在 Header 中带上这个 JWT 。
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4. 服务端检查 JWT 并从中获取用户相关信息。
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两点建议:
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1. 建议将 JWT 存放在 localStorage 中,放在 Cookie 中会有 CSRF 风险。
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2. 请求服务端并携带 JWT 的常见做法是将其放在 HTTP Header 的 `Authorization` 字段中(`Authorization: Bearer Token`)。
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**[spring-security-jwt-guide](https://github.com/Snailclimb/spring-security-jwt-guide)** 就是一个基于 JWT 来做身份认证的简单案例,感兴趣的可以看看。
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## 如何防止 JWT 被篡改?
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有了签名之后,即使 JWT 被泄露或者截获,黑客也没办法同时篡改 Signature、Header、Payload。
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这是为什么呢?因为服务端拿到 JWT 之后,会解析出其中包含的 Header、Payload 以及 Signature 。服务端会根据 Header、Payload、密钥再次生成一个 Signature。拿新生成的 Signature 和 JWT 中的 Signature 作对比,如果一样就说明 Header 和 Payload 没有被修改。
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不过,如果服务端的秘钥也被泄露的话,黑客就可以同时篡改 Signature、Header、Payload 了。黑客直接修改了 Header 和 Payload 之后,再重新生成一个 Signature 就可以了。
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**密钥一定保管好,一定不要泄露出去。JWT 安全的核心在于签名,签名安全的核心在密钥。**
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## 如何加强 JWT 的安全性?
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1. 使用安全系数高的加密算法。
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2. 使用成熟的开源库,没必要造轮子。
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3. JWT 存放在 localStorage 中而不是 Cookie 中,避免 CSRF 风险。
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4. 一定不要将隐私信息存放在 Payload 当中。
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5. 密钥一定保管好,一定不要泄露出去。JWT 安全的核心在于签名,签名安全的核心在密钥。
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6. Payload 要加入 `exp` (JWT 的过期时间),永久有效的 JWT 不合理。并且,JWT 的过期时间不易过长。
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7. ……
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