JSON Web Token 介绍

什么是 JSON Web Token

JSON Web Token (JWT) 是为了在网络间安全地传输信息而设计的一种协议 (RFC 7519)，它以JSON对象的形式存在，并且自包含。这些信息可被验证，并添加了数字签名以防止篡改。JWT可以基于HMAC哈希算法进行签名，或者使用基于公/私钥对的RSA算法进行签名。

首先，让我们更进一步得解释一下定义中的一些概念：

• 协议：JWT令牌的尺寸非常小，因此能够通过URL，POST请求体，或者直接附加到HTTP请求头中。另外，尺寸小意味着传输速度会非常快
• 自包含：JWT的载荷包含了所有需要的用户信息，避免了对数据库的多次查询

什么时候需要使用 JSON Web Token

以下是一些JSON Web Token的常用场景：

• 认证：这是JWT最常用的场景。一旦用户登录以后，之后的每一个请求将会包含JWT令牌，并允许用户访问被保护的路由，服务和资源。由于其较小的开销并能够方便得跨域使用，单点登录系统目前已广泛使用JWT。
• 信息交换：由于JSON Web Token能够被签名，因此是一种安全地交换信息的好方法。例如，使用公私钥对进行签名，你能够确保消息的发送方不是恶意伪造的，另外，由于签名是通过载荷和头部计算出来的，因此你能够确保消息内容没有被篡改过。

JSON Web Token的数据结构

JSON Web Token由三部分组成，并通过英文句号(.)隔开：

• 头部
• 载荷
• 签名

因此，一个典型的JWT令牌看起来会像这样：
xxxxx.yyyyy.zzzzz

头部

典型的头部信息包含两部分：令牌的类型 (JWT)，以及签名所使用的哈希算法，例如 HMAC, SHA256, RSA

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

然后，这段JSON对象将使用Base64编码成字符串并放入JWT令牌的第一部分

载荷

令牌的第二部分被称为载荷，载荷中包含了声明。声明是一些实体描述(例如用户)以及相关的元数据。有三种类型的声明：reserved, public和private

• Reserved 声明：这一类预定义的声明并不是强制性的，但是推荐使用。包括：iss(发布者)，exp(过期时间)，sub(主题)，aud(受众)等等
• Public 声明：公共声明可以添加任何信息。不过为了避免冲突，用户定义时应遵守IANA JSON Web Token Registry规范，或者包含一个防止名称冲突的命名空间，比如URI
• Private 声明：这部分声明由信息交换的双方自行定义

一个载荷的例子如下：

{
    "sub": "1234567890",
    "name": "John Doe",
    "admin": true
}

然后使用Base64对其进行编码，得到JWT的第二部分。

签名

为了创建签名，你需要拿到编码后的头部，编码后的载荷，以及一个密钥，签名的算法在头部中进行指定。
例如，你想要使用 HMAC SHA256 算法进行签名，那么签名函数看起来将会是如下的格式：

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

签名用来验证令牌的发送者不是伪造的，并确保信息不被篡改

把所有部分放在一起

最终的令牌由三部分 Base64 字符串拼接而成，中间使用英文句点(.)隔开，因此令牌可以轻松得在 HTML 和 HTTP 环境中进行传递

以下展示了之前的各个部分组合之后的完整JWT令牌

encoded-jwt3.png
你可以使用jwt.io Debugger进行解码以及验证

JSON Web Token 如何工作

在认证场景中，相较于传统的模式(在服务端生成会话并返回一个cookie)，当用户使用他们的凭据成功登录以后，一个JSON Web Token将会被返回，该令牌必须被保存在本地(典型的场景是保存在本地存储中，不过cookie也常常用来保存这一类信息)。

无论何时，当用户想要访问一个受保护的资源，他必须将JWT发送到服务端，典型的发送方式是通过 Authorization 请求头字段，并指定 Bearer 模式。请求头的内容看起来会像下面这样：

Authorization: Bearer <token>

这是一个无状态的认证机制，用户信息永远也不会保存在服务器的内存中。服务器受保护的路由会检查通过Authorization头传递的令牌是否是一个正确的令牌，如果检查通过，用户将被允许访问受保护的资源。由于JWT是自包含的，所有必要的信息都包含在令牌中，进而减少了查询数据库所需要的时间。

正因为如此，JWT允许你的服务完全依赖于无状态的数据接口。它不关心你的APIs寄宿在哪个域名之下，因此跨域访问(CORS)将不会成为一个问题(使用cookie就不行)

下面的图表展示了整个处理流程

jwt-diagram.png