JWT的初级认识

一.什么是JWT

大家初步接触JWT，都很陌生，我们先看看官网的解释

机器翻译：
JSON Web Token (JWT) 是一种开放标准 ( RFC 7519 )，它定义了一种紧凑且独立的方式，用于在各方之间以 JSON 对象的形式安全地传输信息。该信息可以被验证和信任，因为它是经过数字签名的。JWT 可以使用密钥（使用HMAC算法）或使用RSA或ECDSA的公钥/私钥对进行签名。
尽管 JWT 可以加密以在各方之间提供保密性，但我们将重点关注签名令牌。签名令牌可以验证其中包含的声明的完整性，而加密令牌则向其他方隐藏这些声明。当使用公钥/私钥对对令牌进行签名时，签名还证明只有持有私钥的一方才是对其进行签名的一方。

通俗解释：
看了这机器翻译的东西是不是觉得有些难懂，我们来通俗易懂的方式来说明一下。

JWT简称JSON Web Token,也就是通过JSON形式作为Web应用中的令牌,用于在各方之间安全地将信息作为JSON对象传输。在数据传输过程中还可以完成数据加密、签名等相关处理。
另外举一个大家去生活的例子：

另外在前后端开发中，当用户登录后，服务器会生成一个 JWT 令牌，并将令牌发送给客户端。客户端将令牌存储在 Cookie 或本地存储中，在后续请求中携带令牌。服务器通过验证令牌来判断用户是否已登录。

二.JWT能够做什么

1.授权

• 这是使用JWT的最常见方案。一旦用户登录，每个后续请求将包括JWT，从而允许用户访问该令牌允许的路由，服务和资源。单点登录是当今广泛使用JWT的一项功能，因为它的开销很小并且可以在不同的域中轻松使用。
  举一个网站登录的例子来说明授权的登录过程。
  
  一家大型的购物网站上注册了一个账户。在登录后，网站会生成一个 JWT 令牌，并将令牌发送给你的浏览器。
  当你访问网站的不同页面时，浏览器会将 JWT 令牌携带在请求头中。网站会验证 JWT 令牌，如果验证成功，则允许你访问页面。

2.信息交换

• JSON Web Token是在各方之间安全地传输信息的好方法。因为可以对JWT进行签名（例如，使用公钥/私钥对），所以您可以确保发件人是他们所说的人。此外，由于签名是使用标头和有效负载计算的，因此您还可以验证内容是否遭到篡改。
  
  当你登录公司系统后，公司会生成一个 JWT 令牌，并将令牌发送给你的计算机。
  当你访问公司内部系统的不同页面时，计算机会将 JWT 令牌携带在请求头中。公司系统会验证 JWT 令牌，如果验证成功，则允许你访问页面。
  在这种情况下，JWT 令牌就像一个“身份证”，允许你访问公司内部系统。

三.为什么我们使用JWT

我们先来看看基于session的认证流程

传统的基于session的认证流程

认证流程

用户登录：用户向服务器发送包含用户名和密码的登录请求。
服务器验证用户身份：服务器根据用户名和密码验证用户身份。如果验证成功，则生成一个 Session 并将 Session 的 ID 返回给用户。
用户保存 Session ID：用户将 Session ID 保存在 Cookie 或本地存储中。
用户访问受保护资源：用户访问受保护资源时，将 Session ID 发送给服务器。
服务器验证 Session 是否有效：服务器根据 Session ID 验证 Session 是否有效。如果有效，则允许用户访问资源。

优点

简单易实现。
可以实现用户状态的跟踪。

暴露的问题

• 1.每个用户经过我们的应用认证之后，我们的应用都要在服务端做一次记录，以方便用户下次请求的鉴别，通常而言session都是保存在内存中，而随着认证用户的增多，服务端的开销会明显增大

• 2.用户认证之后，服务端做认证记录，如果认证的记录被保存在内存中的话，这意味着用户下次请求还必须要请求在这台服务器上,这样才能拿到授权的资源，这样在分布式的应用上，相应的限制了负载均衡器的能力。这也意味着限制了应用的扩展能力。

• 3.因为是基于cookie来进行用户识别的, cookie如果被截获，用户就会很容易受到跨站请求伪造的攻击。

• 4.在前后端分离系统中就更加痛苦:如下图所示
  也就是说前后端分离在应用解耦后增加了部署的复杂性。通常用户一次请求就要转发多次。如果用session 每次携带sessionid 到服务 器，服务器还要查询用户信息。同时如果用户很多。这些信息存储在服务器内存中，给服务器增加负担。还有就是CSRF（跨站伪造请求攻 击）攻击，session是基于cookie进行用户识别的, cookie如果被截获，用户就会很容易受到跨站请求伪造的攻击。还有就是 sessionid就是一个特征值，表达的信息不够丰富。不容易扩展。而且如果你后端应用是多节点部署。那么就需要实现session共享机制。 不方便集群应用。
  

基于JWT认证

1.认证流程

• 首先，前端通过Web表单将自己的用户名和密码发送到后端的接口。这一过程一般是一个HTTP POST请求。建议的方式是通过SSL加密的传输（https协议），从而避免敏感信息被嗅探。

• 后端核对用户名和密码成功后，将用户的id等其他信息作为JWT Payload（负载），将其与头部分别进行Base64编码拼接后签名，形成一个JWT(Token)。形成的JWT就是一个形同lll.zzz.xxx的字符串。 token head.payload.singurater

• 后端将JWT字符串作为登录成功的返回结果返回给前端。前端可以将返回的结果保存在localStorage或sessionStorage上，退出登录时前端删除保存的JWT即可。

• 前端在每次请求时将JWT放入HTTP Header中的Authorization位。(解决XSS和XSRF问题) HEADER

• 后端检查是否存在，如存在验证JWT的有效性。例如，检查签名是否正确；检查Token是否过期；检查Token的接收方是否是自己（可选）。

• 验证通过后后端使用JWT中包含的用户信息进行其他逻辑操作，返回相应结果。

2.jwt优势

• 简洁(Compact): 可以通过URL，POST参数或者在HTTP header发送，因为数据量小，传输速度也很快

• 自包含(Self-contained)：负载中包含了所有用户所需要的信息，避免了多次查询数据库

• 因为Token是以JSON加密的形式保存在客户端的，所以JWT是跨语言的，原则上任何web形式都支持。

• 不需要在服务端保存会话信息，特别适用于分布式微服务。

四.JWT的结构是什么

JWT 的结构由三个部分组成，用点号（.）分隔：
Header：头部包含了令牌的类型（typ）和签名算法（alg）。
Payload：负载包含了令牌携带的信息，如用户 ID、用户名、角色等。
Signature：签名用于验证令牌的完整性和发行者。

Header的组成

4.2 Header

• 标头通常由两部分组成：令牌的类型（即JWT）和所使用的签名算法，例如HMAC SHA256或RSA。它会使用 Base64 编码组成 JWT 结构的第一部分。

• 注意:Base64是一种编码，也就是说，它是可以被翻译回原来的样子来的。它并不是一种加密过程。

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

4.3 Payload

令牌的第二部分是有效负载，其中包含声明。声明是有关实体（通常是用户）和其他数据的声明。同样的，它会使用 Base64 编码组成 JWT 结构的第二部分。

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

4.4 Signature

前面两部分都是使用 Base64 进行编码的，即前端可以解开知道里面的信息。Signature 需要使用编码后的 header 和 payload 以及我们提供的一个密钥，然后使用 header 中指定的签名算法（HS256）进行签名。签名的作用是保证 JWT 没有被篡改过。

- 如:
	HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload),secret);

签名目的

• 最后一步签名的过程，实际上是对头部以及负载内容进行签名，防止内容被窜改。如果有人对头部以及负载的内容解码之后进行修改，再进行编码，最后加上之前的签名组合形成新的JWT的话，那么服务器端会判断出新的头部和负载形成的签名和JWT附带上的签名是不一样的。如果要对新的头部和负载进行签名，在不知道服务器加密时用的密钥的话，得出来的签名也是不一样的。

五.使用JWT

5.1 引入JWT依赖

<!--引入jwt-->
<dependency>
  <groupId>com.auth0</groupId>
  <artifactId>java-jwt</artifactId>
  <version>3.4.0</version>
</dependency>

5.2 生成token

Calendar instance = Calendar.getInstance();
instance.add(Calendar.SECOND, 90);
//生成令牌
String token = JWT.create()
  .withClaim("username", "张三")//设置自定义用户名 header 和 Payload
  .withExpiresAt(instance.getTime())//设置过期时间 
  .sign(Algorithm.HMAC256("token!Q2W#E$RW"));//设置签名 保密 复杂 //Signature
//输出令牌
System.out.println(token);

运行结果：

5.3 根据令牌和签名解析数据

JWTVerifier jwtVerifier = JWT.require(Algorithm.HMAC256("token!Q2W#E$RW")).build();
DecodedJWT decodedJWT = jwtVerifier.verify(token);
System.out.println("用户名: " + decodedJWT.getClaim("username").asString());
System.out.println("过期时间: "+decodedJWT.getExpiresAt());

总结

在生成令牌时，需要指定签名算法和签名密钥。签名算法用于保证令牌的完整性和发行者。签名密钥是服务器端的密钥，用于验证令牌。
在验证令牌时，需要使用与生成令牌时相同的签名算法和签名密钥。
令牌的过期时间可以设置为任意值。过期时间到达后，令牌将无法验证。

六.封装工具类

public class JWTUtils {
    private static String TOKEN = "token!Q@W3e4r";
    /**
     * 生成token
     * @param map  //传入payload
     * @return 返回token
     */
    public static String getToken(Map<String,String> map){
        JWTCreator.Builder builder = JWT.create();
        map.forEach((k,v)->{
            builder.withClaim(k,v);
        });
        Calendar instance = Calendar.getInstance();
        instance.add(Calendar.SECOND,7);
        builder.withExpiresAt(instance.getTime());
        return builder.sign(Algorithm.HMAC256(TOKEN)).toString();
    }
    /**
     * 验证token
     * @param token
     * @return
     */
    public static void verify(String token){
        JWT.require(Algorithm.HMAC256(TOKEN)).build().verify(token);
    }
    /**
     * 获取token中payload
     * @param token
     * @return
     */
    public static DecodedJWT getToken(String token){
        return JWT.require(Algorithm.HMAC256(TOKEN)).build().verify(token);
    }
}

这段代码的主要功能是提供 JWT 令牌的生成、验证和解析功能。

具体来说，它包含以下功能：

• 生成令牌：
  getToken(Map<String, String> map) 方法用于生成 JWT 令牌。
  它接收一个 Map 对象作为参数，用于指定令牌的负载（payload）。
  它使用 JWT.create() 方法创建一个令牌构建器，并使用 withClaim() 方法添加负载声明。
  它设置令牌的过期时间为当前时间加上 7 秒。
  它使用 sign() 方法对令牌进行签名，并返回签名后的令牌字符串。
• 验证令牌：
  verify(String token) 方法用于验证 JWT 令牌。
  它接收一个令牌字符串作为参数。
  它使用 JWT.require() 方法创建一个验证器，并使用 verify() 方法验证令牌。
  如果验证成功，则不返回任何值；如果验证失败，则抛出异常。
• 获取令牌负载：
  getToken(String token) 方法用于获取 JWT 令牌的负载。
  它接收一个令牌字符串作为参数。
  它使用 JWT.require() 方法创建一个验证器，并使用 verify() 方法验证令牌。
  如果验证成功，则返回一个 DecodedJWT 对象，该对象包含令牌的负载信息。