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：

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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)
5. 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
6. 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

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。

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 IDString 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 IDString 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 SetJWTClaimsSet claimsSet = builder.build();// 创建一个空的 SignedJWT 对象SignedJWT signedJWT = new SignedJWT(new JWSHeader(JWSAlgorithm.HS256),claimsSet);// 签名 JWTsignedJWT.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 JWTSignedJWT signedJWT = SignedJWT.parse(jwt);// 验证 JWTMACVerifier 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 ClaimsJWTClaimsSet 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 JWTSignedJWT signedJWT = SignedJWT.parse(jwt);// 验证 JWTMACVerifier 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 ClaimsJWTClaimsSet 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