JWT 概述与代码实现

作者: 帅大叔的简书 | 来源:发表于2019-04-16 18:33 被阅读17次

    一、什么是JSON Web Token?

    JSON Web Token(JWT)是一个开放标准(RFC7519),它定义了一种紧凑且独立的方式,用于在各方之间作为JSON对象安全地传输信息。
    此信息可以通过数字签名进行验证和信任。JWT可以使用秘密(使用HMAC算法)或使用RSA或ECDSA的公钥/私钥对进行签名。

    二、JWT的使用场景主要包括:

    • 认证授权
      这是比较常见的使用场景,只要用户登录过一次系统,之后的请求都会包含签名出来的token,通过token也可以用来实现单点登录。
      因为它的开销很小,并且能够在不同的域中轻松使用。
    • 交换信息
      JSON Web令牌是在各方之间安全传输信息的好方法。因为JWT可以签名 - 例如,使用公钥/私钥对 - 您可以确定发件人是他们所说的人。此外,由于使用标头和有效负载计算签名,您还可以验证内容是否未被篡改。

    三、JWT 的组成结构

    实际的 jwt 产生的token,大概长得如下的格式

    eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.
    eyJzdWIiOiJ0ZXN0IiwiYXVkIjpbImFwcCIsIndlYiJdLCJkYXRhIjoie1wiYWdlXCI6MjQsXCJzZXhcIjoxLFwidXNlcklkXCI6MSxcInVzZXJuYW1lXCI6XCLluIXlpKflj5RcIn0iLCJpc3MiOiJyc3R5cm8iLCJleHAiOjE1NTUzOTg5NjIsImlhdCI6MTU1NTM5ODg0Mn0.
    N1PbxQ1okvw-q8TWiSX0uMx1z6QL6IEUBtOfcwP7-Mg
    

    它是一个很长的字符串,中间用点(.)分隔成三个部分。

    • Header(头部)
    • Payload(负载)
    • Signature(签名)

    注意,JWT 内部是没有换行的,这里只是为了便于展示,将它写成了几行

    1、Header(头部)

    标头通常由两部分组成:令牌的类型,即JWT,以及正在使用的签名算法,例如HMAC SHA256或RSA。
    例如:

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

    然后,这个JSON被编码为Base64Url,形成JWT的第一部分。

    2、Payload(负载)

    令牌的第二部分是有效负载,其中包含声明。声明是关于实体(通常是用户)和其他数据的声明
    这个部分一般就是我们需要存贮的数据都放在这里。
    JWT 规定了7个官方字段,供选用。

    iss (issuer):发布者
    sub (subject):主题
    iat (Issued At):生成签名的时间
    exp (expiration time):签名过期时间
    aud (audience):观众,相当于接受者
    nbf (Not Before):生效时间
    jti (JWT ID):编号
    

    当然,也可以自定义字段,例如下面的 data 字段

    {
      "sub": "test",
      "aud": [
        "app",
        "web"
      ],
      "nbf": 1555399851,
      "data": "{\"age\":24,\"sex\":1,\"userId\":1,\"username\":\"帅大叔\"}",
      "iss": "rstyro",
      "exp": 1555399971,
      "iat": 1555399851,
      "jti": "75f67651-4cc8-431a-9429-c15df52d5acd"
    }
    

    然后经过Base64Url编码,形成JSON Web令牌的第二部分

    3、Signature(签名)

    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

    HMACSHA256(
      base64UrlEncode(header) + "." +
      base64UrlEncode(payload),
      secret)
    

    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,就可以返回给用户。

    4、Base64URL

    前面提到,HeaderPayload 串型化的算法是 Base64URL。这个算法跟 Base64 算法基本类似,但有一些小的不同。

    JWT 作为一个令牌token,有些场合可能会放到 URL(比如 api.example.com/?token=xxx)。Base64 有三个字符+/=,在 URL 里面有特殊含义,所以要被替换掉:=被省略、+替换成-/替换成_ 。这就是 Base64URL 算法

    四、JWT 的特点

    1、号外

    就我现在所知道的,互联网服务中的用户认证方式 有两种:

    • SessionId
      比如,用户在浏览器中用户名密码登录成功之后,浏览器每次发请求都会自己带上sessionid 发送给服务器。服务器通过sessionID 得到用户信息
    • TOKEN
      token,一般在手机app 端比较常用的方式,那就是用户登录成功之后,服务器返回一个 授权的token 字符串,app 每次请求也要带着这个token 转到服务器,服务器通过 token 得到用户信息

    如上两种方式都很类似,换汤不换药。它们的相同点就是:认证信息都保存在后端服务器
    而JWT 和 它们的区别就是:认证信息保存在了客户端,减轻服务端的内存压力。

    2、特点

    • JWT是无状态的,特别适用于分布式站点的单点登录(SSO)场景
    • JWT 不仅可以用于认证,也可以用于交换信息。有效使用 JWT,可以降低服务器查询数据库的次数。
    • 因为有签名,所以JWT可以防止被篡改
    • 由于JWT的payload是使用base64编码的,并没有加密,因此JWT中不能存储敏感数据。而session的信息是存在服务端的,相对来说更安全。
    • 由于是无状态使用JWT,所有的数据都被放到JWT里,如果还要进行一些数据交换,那载荷会很大,经过编码之后导致JWT非常长
    • JWT是一次性的。想修改里面的内容,就必须签发一个新的JWT
    • 一旦签发一个JWT,在到期之前就会始终有效,无法中途废弃。

    五、JWT 的加密方式

    JWT签名算法中,一般有两个选择,一个采用HS256,另外一个就是采用RS256
    签名实际上是一个加密的过程,生成一段标识(也是JWT的一部分)作为接收方验证信息是否被篡改的依据。
    RS256 (采用SHA-256RSA 签名) 是一种非对称算法, 它使用公共/私钥对: 标识提供方采用私钥生成签名, JWT 的使用方获取公钥以验证签名。由于公钥 (与私钥相比) 不需要保护, 因此大多数标识提供方使其易于使用方获取和使用 (通常通过一个元数据URL)。
    另一方面, HS256 (带有 SHA-256HMAC 是一种对称算法, 双方之间仅共享一个 密钥。由于使用相同的密钥生成签名和验证签名, 因此必须注意确保密钥不被泄密。
    在开发应用的时候启用JWT,使用RS256更加安全,你可以控制谁能使用什么类型的密钥。另外,如果你无法控制客户端,无法做到密钥的完全保密,RS256会是个更佳的选择,JWT的使用方只需要知道公钥。
    由于公钥通常可以从元数据URL节点获得,因此可以对客户端进行进行编程以自动检索公钥。如果采用这种方式,从服务器上直接下载公钥信息,可以有效的减少配置信息

    六、JWT 代码实现

    官网:jwt.io中有各个语言的库可以使用,我用的是 auth0 的Java.
    地址:https://github.com/auth0/java-jwt

    1、导入依赖

    <dependency>
        <groupId>com.auth0</groupId>
        <artifactId>java-jwt</artifactId>
        <version>3.8.0</version>
    </dependency>
    

    2、生成Token

    有两种方式:

    • HS256 方式
    try {
        Algorithm algorithm = Algorithm.HMAC256("secret");
        String token = JWT.create()
                    .withIssuer("rstyro")   //发布者
                    .withSubject("test")    //主题
                    .withAudience(audience)     //观众,相当于接受者
                    .withIssuedAt(new Date())   // 生成签名的时间
                    .withExpiresAt(DateUtils.offset(new Date(),2, Calendar.MINUTE))    // 生成签名的有效期,分钟
                    .withClaim("data", JSON.toJSONString("Object")) //自定义字段存数据
                    .withNotBefore(new Date())  //生效时间
                    .withJWTId(UUID.randomUUID().toString())    //编号
                    .sign(algorithm);
    } catch (JWTCreationException exception){
        //签名不匹配
    }
    
    • RS256 方式
    RSAPublicKey publicKey = //Get the key instance
    RSAPrivateKey privateKey = //Get the key instance
    try {
        Algorithm algorithm = Algorithm.RSA256(publicKey, privateKey);
        String token = JWT.create()
                    .withIssuer("rstyro")   //发布者
                    .withSubject("test")    //主题
                    .withAudience(audience)     //观众,相当于接受者
                    .withIssuedAt(new Date())   // 生成签名的时间
                    .withExpiresAt(DateUtils.offset(new Date(),2, Calendar.HOUR_OF_DAY))    // 生成签名的有效期,小时
                    .withClaim("data", JSON.toJSONString("Object")) //自定义字段存数据
                    .withNotBefore(new Date())  //生效时间
                    .withJWTId(UUID.randomUUID().toString())    //编号
                    .sign(algorithm);
    } catch (JWTCreationException exception){
        //签名不匹配
    }
    

    3、校验 Token

    片段代码如下:

    if("RS256".equalsIgnoreCase(jwtdto.getAlg())){
        algorithm = Algorithm.RSA256(CreateSecrteKey.getRSA256Key().getPublicKey(), null);
    }else {// hs256 的方式
        algorithm = Algorithm.HMAC256(secret);
    }
    JWTVerifier verifier = JWT.require(algorithm)
            .withIssuer("rstyro")
            .build();
    try {
        verify = verifier.verify(jwtdto.getToken());
    }catch (TokenExpiredException ex){
        throw new ApiException(ApiResultEnum.TOKEN_EXPIRED);
    }catch (JWTVerificationException ex){
        throw new ApiException(ApiResultEnum.SIGN_VERIFI_ERROR );
    }
    

    因为 RS256 加密,需要一个公私钥对,我们可以通过 KeyPairGenerator 随机获取一个公私钥对,工具类如下:

    import sun.misc.BASE64Decoder;
    import sun.misc.BASE64Encoder;
    import top.lrshuai.jwt.entity.RSA256Key;
    
    import java.security.Key;
    import java.security.KeyPair;
    import java.security.KeyPairGenerator;
    import java.security.interfaces.RSAPrivateKey;
    import java.security.interfaces.RSAPublicKey;
    import java.util.HashMap;
    import java.util.Map;
    
    /**
     * 抄录地址:https://www.cnblogs.com/only-jlk/p/5960900.html
     */
    public class CreateSecrteKey {
    
        public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";
        private static final String PUBLIC_KEY = "RSAPublicKey";
        private static final String PRIVATE_KEY = "RSAPrivateKey";
    
        private static RSA256Key rsa256Key;
    
        //获得公钥
        public static String getPublicKey(Map<String, Object> keyMap) throws Exception {
            //获得map中的公钥对象 转为key对象
            Key key = (Key) keyMap.get(PUBLIC_KEY);
            //byte[] publicKey = key.getEncoded();
            //编码返回字符串
            return encryptBASE64(key.getEncoded());
        }
        public static String getPublicKey(RSA256Key rsa256Key) throws Exception {
            //获得map中的公钥对象 转为key对象
            Key key = rsa256Key.getPublicKey();
            //byte[] publicKey = key.getEncoded();
            //编码返回字符串
            return encryptBASE64(key.getEncoded());
        }
    
        //获得私钥
        public static String getPrivateKey(Map<String, Object> keyMap) throws Exception {
            //获得map中的私钥对象 转为key对象
            Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
            //byte[] privateKey = key.getEncoded();
            //编码返回字符串
            return encryptBASE64(key.getEncoded());
        }
        //获得私钥
        public static String getPrivateKey(RSA256Key rsa256Key) throws Exception {
            //获得map中的私钥对象 转为key对象
            Key key = rsa256Key.getPrivateKey();
            //byte[] privateKey = key.getEncoded();
            //编码返回字符串
            return encryptBASE64(key.getEncoded());
        }
    
        //解码返回byte
        public static byte[] decryptBASE64(String key) throws Exception {
            return (new BASE64Decoder()).decodeBuffer(key);
        }
    
        //编码返回字符串
        public static String encryptBASE64(byte[] key) throws Exception {
            return (new BASE64Encoder()).encodeBuffer(key);
        }
    
        //map对象中存放公私钥
        public static Map<String, Object> initKey() throws Exception {
            //  /** RSA算法要求有一个可信任的随机数源 */
            //获得对象 KeyPairGenerator 参数 RSA 1024个字节
            KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
            keyPairGen.initialize(1024);
            //通过对象 KeyPairGenerator 生成密匙对 KeyPair
            KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
    
            //通过对象 KeyPair 获取RSA公私钥对象RSAPublicKey RSAPrivateKey
            RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
            RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
            //公私钥对象存入map中
            Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>(2);
            keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
            keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
            return keyMap;
        }
    
        /**
         * 获取公私钥
         * @return
         * @throws Exception
         */
        public static synchronized RSA256Key getRSA256Key() throws Exception {
            if(rsa256Key == null){
                synchronized (RSA256Key.class){
                    if(rsa256Key == null) {
                        rsa256Key = new RSA256Key();
                        Map<String, Object> map = initKey();
                        rsa256Key.setPrivateKey((RSAPrivateKey) map.get(CreateSecrteKey.PRIVATE_KEY));
                        rsa256Key.setPublicKey((RSAPublicKey) map.get(CreateSecrteKey.PUBLIC_KEY));
                    }
                }
            }
            return rsa256Key;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            Map<String, Object> keyMap;
            try {
                keyMap = initKey();
                String publicKey = getPublicKey(keyMap);
                System.out.println("公钥:\n"+publicKey);
                String privateKey = getPrivateKey(keyMap);
                System.out.println("私钥:\n"+privateKey);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    

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