JSON Web Token (JWT): 理解与应用

JWT（JSON Web Token）是一种开放标准（RFC 7519），它定义了一种紧凑且自包含的方式，用于在各方之间以JSON对象的形式安全地传输信息。JWT通常用于身份验证和授权目的，因为它可以使用JSON对象在各方之间安全地传输信息

官网地址：https://jwt.io/

0.介绍

通俗地说，JWT的本质就是一个字符串，它是将用户信息保存到一个Json字符串中，然后进行编码后得到一个JWT token，并且这个JWT token带有签名信息，接收后可以校验是否被篡改，所以可以用于在各方之间安全地将信息作为Json对象传输。

0.1.JWT的应用场景

身份验证 : 当用户成功登录时，服务器会生成一个JWT并将其发送给客户端。客户端在后续请求中将JWT附加到HTTP请求头中，以此来证明用户的身份。

授权 : JWT中可以包含用户的权限信息，这样服务器可以根据这些信息决定用户是否被允许访问某些资源。

信息传递 : 除了用户的身份和权限外，JWT还可以用来携带其他有用的信息，如用户的偏好设置等。

在 java 中常与 Spring Security 框架配合使用

JWT的认证流程如下：

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，这个过程一般是一个POST请求。建议的方式是通过SSL加密的传输(HTTPS)，从而避免敏感信息被嗅探
后端核对用户名和密码成功后，将包含用户信息的数据作为JWT的Payload，将其与JWT Header分别进行Base64编码拼接后签名，形成一个JWT Token，形成的JWT Token就是一个如同lll.zzz.xxx的字符串
后端将JWT Token字符串作为登录成功的结果返回给前端。前端可以将返回的结果保存在浏览器中，退出登录时删除保存的JWT Token即可
前端在每次请求时将JWT Token放入HTTP请求头中的Authorization属性中(解决XSS和XSRF问题)
后端检查前端传过来的JWT Token，验证其有效性，比如检查签名是否正确、是否过期、token的接收方是否是自己等等
验证通过后，后端解析出JWT Token中包含的用户信息，进行其他逻辑操作(一般是根据用户信息得到权限等)，返回结果

在这里插入图片描述

0.2.优点

这种基于token的认证方式相比传统的session认证方式更节约服务器资源，并且对移动端和分布式更加友好。其优点如下：

支持跨域访问：cookie是无法跨域的，而token由于没有用到cookie(前提是将token放到请求头中)，所以跨域后不会存在信息丢失问题
无状态：token机制在服务端不需要存储session信息，因为token自身包含了所有登录用户的信息，所以可以减轻服务端压力
更适用CDN：可以通过内容分发网络请求服务端的所有资料
更适用于移动端：当客户端是非浏览器平台时，cookie是不被支持的，此时采用token认证方式会简单很多
无需考虑CSRF：由于不再依赖cookie，所以采用token认证方式不会发生CSRF，所以也就无需考虑CSRF的防御

1.JWT的结构

JWT是一种自包含的令牌格式。JWT由三个部分组成：头部、载荷和签名。

在这里插入图片描述

1.1.头部 (Header)

头部通常包含两个部分：

typ: 表示该令牌的类型，通常是“JWT”。
alg: 指定签名算法，例如 HMAC SHA-256 或 RSA。

头部通常以JSON格式书写，并经过Base64Url编码。

1.2.载荷 (Payload)

载荷包含了需要作为声明传输的信息。这些声明可以分为三类：

标准声明：由JWT规范定义的声明。
- iss (issuer): 发行者。
- sub (subject): 主题，通常是指用户ID。
- aud (audience): 接收者，即令牌的预期受众。
- exp (expiration time): 过期时间。
- nbf (not before): 该时间之前不可使用。
- iat (issued at): 发行时间。
- jti (JWT ID): 一个唯一的标识符，用于防止重放攻击。
私有声明：由发行者和接收者约定的声明，例如用户的角色或权限等。
公共声明：虽然不是JWT规范的一部分，但可以在任何JWT中使用。

载荷也是经过Base64Url编码的。

1.3.签名 (Signature)

签名部分保证了JWT的完整性和安全性。签名通过将头部和载荷进行编码并使用指定的算法（如HMAC SHA-256 RSA或ECDSA）进行计算得到。签名确保了：

令牌没有被篡改。
令牌是由可信的一方发行的。

签名部分同样经过Base64Url编码。

1.4.JWS, JWK

JWS ，也就是JWT Signature，其结构就是在之前nonsecure JWT的基础上，在头部声明签名算法，并在最后添加上签名。创建签名，是保证jwt不能被他人随意篡改。我们通常使用的JWT一般都是JWS

为了完成签名，除了用到header信息和payload信息外，还需要算法的密钥，也就是secretKey。

加密的算法一般有2类：

对称加密：secretKey指加密密钥，可以生成签名与验签
非对称加密：secretKey指私钥，只用来生成签名，不能用来验签(验签用的是公钥)

JWT的密钥或者密钥对，一般统一称为JSON Web Key，也就是JWK

到目前为止，jwt的签名算法有三种：

HMAC【哈希消息验证码(对称)】：HS256/HS384/HS512
RSASSA【RSA签名算法(非对称)】 :（RS256/RS384/RS512）
ECDSA【椭圆曲线数据签名算法(非对称)】 :（ES256/ES384/ES512）

2.实现与工具

2.1.jjwt (Java JWT)

GitHub 仓库地址：https://github.com/jwtk/jjwt

这是一个基于Java的库，用于在JVM和Android平台上创建和验证JSON Web Tokens (JWTs)和JSON Web Keys (JWKs)。

它支持多种JOSE工作组的RFC规范:

RFC 7519: JSON Web Token (JWT)
RFC 7515: JSON Web Signature (JWS)
RFC 7516: JSON Web Encryption (JWE)
等等

2.1.1.导入Maven依赖

<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt-api</artifactId>
    <version>0.11.5</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt-impl</artifactId>
    <version>0.11.5</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt-jackson</artifactId>
    <version>0.11.5</version>
</dependency>

2.1.2.测试代码

import io.jsonwebtoken.Claims;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;
import io.jsonwebtoken.security.Keys;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import java.security.Key;
import java.util.Date;
import java.util.UUID;

@RestController
public class JwtController {

    // 密钥 : 实际开发时 应该从 配置文件 / 持久化存储中 获取
    private String secret;

    // token时效：24小时
    public static final long EXPIRE = 1000 * 60 * 60 * 24;


    @RequestMapping("/create")
    public String createToken(){

        // 生成一个随机的密钥 ID
        String keyId = UUID.randomUUID().toString();

        // 密钥
        secret = keyId;



        // 创建一个 JWT 令牌
        String jwt = Jwts.builder()

                // 设置JWT头部参数，指定令牌类型为JWT
                .setHeaderParam("typ", "JWT")
                // 设置JWT头部参数，指定签名算法为HS256
                .setHeaderParam("alg", "HS256")
                // 设置JWT过期时间，当前时间戳加上设定的过期时长
                .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + EXPIRE))
                // 设置主题，通常是用户身份标识
                .setSubject("admin")
            
                // 添加角色声明
                .claim("role", "admin")
                // 设置用户ID为1
                .claim("id", 1)
                // 设置用户昵称为"王小二"
                .claim("nickname", "王小二")
            
                // 设置令牌签发时间
                .setIssuedAt(new Date())
                // 设置唯一标识符
                .setId( keyId )

                // 使用HS256算法和密钥签名
                .signWith(SignatureAlgorithm.HS256, secret.getBytes())


                // 将令牌压缩为紧凑形式的字符串
                .compact();

        return jwt;
    }


    @RequestMapping("/check")
    public  void checkToken(String jwt) {
        System.out.println("jwt = " + jwt);

        // 创建一个安全的密钥
        Key secureKey = Keys.hmacShaKeyFor(secret.getBytes());

        try {
            // 使用Jwts.parserBuilder()方法构建一个解析器，该解析器使用secureKey作为签名密钥
            // 然后使用这个解析器解析jwt字符串，获取到Claims对象，即JWT的主体部分
            Claims claims = Jwts.parserBuilder()
                    .setSigningKey(secureKey)
                    .build()
                    .parseClaimsJws(jwt)
                    .getBody();


            // 打印解析后的 JWT 信息
            System.out.println("Subject: " + claims.getSubject());
            System.out.println("Role: " + claims.get("role", String.class));
            System.out.println("Issue Time: " + claims.getIssuedAt());
            System.out.println("JWT ID: " + claims.getId());
            System.out.println("user nickname: " + claims.get("nickname"));

            // 可以在这里添加更多逻辑来验证 JWT 的有效性，例如检查过期时间等
            if(claims.getExpiration()==null){
                System.out.println("过期时间不能为空 Expiration time cannot be null");
            }

        } catch (Exception e) {
            // 如果 JWT 无法验证，这里会捕获异常
            System.err.println("Invalid JWT: " + e.getMessage());
        }
    }
}

2.2.Nimbus

Nimbus JOSE + JWT 是一个非常强大的 Java 库，用于处理 JSON Web Signature (JWS), JSON Web Encryption (JWE), JSON Web Key (JWK), JSON Web Token (JWT) 和 OAuth 2.0 授权服务器。这个库是由 NimbusDS 开发的，并且广泛应用于身份验证和授权系统中。

2.2.1.导入依赖

首先，您需要在 Maven 项目中添加 json-jwt 的依赖：

        <dependency>
            <groupId>com.nimbusds</groupId>
            <artifactId>nimbus-jose-jwt</artifactId>
            <version>9.40</version>
        </dependency>

2.2.2.测试代码


import com.nimbusds.jose.JOSEException;
import com.nimbusds.jose.JWSAlgorithm;
import com.nimbusds.jose.JWSHeader;
import com.nimbusds.jose.crypto.MACSigner;
import com.nimbusds.jose.crypto.MACVerifier;
import com.nimbusds.jwt.JWTClaimsSet;
import com.nimbusds.jwt.SignedJWT;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import java.text.ParseException;
import java.util.Date;
import java.util.UUID;

@RestController
public class JwtController {

    // 密钥 : 实际开发时 应该从 配置文件 / 持久化存储中 获取
    private String secret;

    @RequestMapping("/create")
    public String createToken() {
        try {
            // 生成一个随机的密钥 ID
            String keyId = UUID.randomUUID().toString();

            // 密钥
            secret = keyId;

            // 创建一个 HMAC 签名器
            MACSigner signer = new MACSigner(secret.getBytes());


            // 设置 JWT 的声明
            JWTClaimsSet.Builder builder = new JWTClaimsSet.Builder();
            builder.subject("admin");
            builder.claim("role", "admin");
            builder.issueTime(new Date());
            builder.jwtID(keyId);
            // 构建 JWT Claims Set
            JWTClaimsSet claimsSet = builder.build();
            // 创建一个空的 SignedJWT 对象
            SignedJWT signedJWT = new SignedJWT(
                    new JWSHeader(JWSAlgorithm.HS256),
                    claimsSet);
            // 签名 JWT
            signedJWT.sign(signer);
            // 将 JWT 转换为紧凑形式
            String jwt = signedJWT.serialize();

            return jwt;
        } catch (JOSEException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }


    @RequestMapping("/check")
    public void checkToken(String jwt) {
        try {
            System.out.println("jwt = " + jwt);
            // 解析 JWT
            SignedJWT signedJWT = SignedJWT.parse(jwt);
            // 验证 JWT
            MACVerifier verifier = new MACVerifier( secret.getBytes() );
            boolean isValid = signedJWT.verify(verifier);
            if (!isValid) {
                System.out.println("无效的 JWT 签名 Invalid JWT signature.");
                return;
            }
            // 获取 JWT Claims
            JWTClaimsSet claimsSet = signedJWT.getJWTClaimsSet();
            System.out.println("Subject: " + claimsSet.getSubject());
            System.out.println("Role: " + claimsSet.getStringClaim("role"));
            System.out.println("Issue Time: " + claimsSet.getIssueTime());
            System.out.println("JWT ID: " + claimsSet.getJWTID());

        } catch (JOSEException | ParseException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    /**
    * token 通过 header传递
    * 再通过 request 取出
    */
    @RequestMapping("/checkHeader")
    public void checkHeaderToken(HttpServletRequest request) {
        try {
            String jwt = request.getHeader("Authorization");

            System.out.println("jwt header=> " + jwt);
            // 解析 JWT
            SignedJWT signedJWT = SignedJWT.parse(jwt);
            // 验证 JWT
            MACVerifier verifier = new MACVerifier( secret.getBytes() );
            boolean isValid = signedJWT.verify(verifier);
            if (!isValid) {
                System.out.println("无效的 JWT 签名 Invalid JWT signature.");
                return;
            }
            // 获取 JWT Claims
            JWTClaimsSet claimsSet = signedJWT.getJWTClaimsSet();
            System.out.println("Subject: " + claimsSet.getSubject());
            System.out.println("Role: " + claimsSet.getStringClaim("role"));
            System.out.println("Issue Time: " + claimsSet.getIssueTime());
            System.out.println("JWT ID: " + claimsSet.getJWTID());

        } catch (JOSEException | ParseException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2.2.3.请求测试

###
GET http://localhost:8080/create

生成token : eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJhZG1pbiIsInJvbGUiOiJhZG1pbiIsImV4cCI6MTcyMzQ1MDgyOCwiaWF0IjoxNzIzMzY0NDI4LCJqdGkiOiI5Yzc3N2YwZC03NDU5LTQ3MTUtYmVkNy1mNWViYzJiNmMwOTgifQ.Y_P7L4gehl0kJwxTnwUxX8Yy502qrCHQ0hkxod58ly8

###
GET http://localhost:8080/check?jwt=eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJhZG1pbiIsInJvbGUiOiJhZG1pbiIsImV4cCI6MTcyMzQ1MDgyOCwiaWF0IjoxNzIzMzY0NDI4LCJqdGkiOiI5Yzc3N2YwZC03NDU5LTQ3MTUtYmVkNy1mNWViYzJiNmMwOTgifQ.Y_P7L4gehl0kJwxTnwUxX8Yy502qrCHQ0hkxod58ly8

idea 控制台:
Subject: admin
Role: admin
Issue Time: Sun Aug 11 16:20:28 CST 2024
JWT ID: 9c777f0d-7459-4715-bed7-f5ebc2b6c098

###
GET http://localhost:8080/checkHeader
Content-Type: application/json
Authorization: eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJhZG1pbiIsInJvbGUiOiJhZG1pbiIsImV4cCI6MTcyMzQ1MDgyOCwiaWF0IjoxNzIzMzY0NDI4LCJqdGkiOiI5Yzc3N2YwZC03NDU5LTQ3MTUtYmVkNy1mNWViYzJiNmMwOTgifQ.Y_P7L4gehl0kJwxTnwUxX8Yy502qrCHQ0hkxod58ly8

idea 控制台:
Subject: admin
Role: admin
Issue Time: Sun Aug 11 16:20:28 CST 2024
JWT ID: 9c777f0d-7459-4715-bed7-f5ebc2b6c098