JSON Web Token （JWT）入門教程

　　JSON Web Token(縮寫 JWT)是目前最流行的跨域認證解決方案，本文介紹它的原理和用法。

　　一、跨域認證的問題

　　互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)離不開用戶認證。一般流程是下面這樣。

　　1、用戶向服務(wù)器發(fā)送用戶名和密碼。

　　2、服務(wù)器驗證通過后，在當前對話(session)里面保存相關(guān)數(shù)據(jù)，比如用戶角色、登錄時間等等。

　　3、服務(wù)器向用戶返回一個 session_id，寫入用戶的 Cookie。

　　4、用戶隨后的每一次請求，都會通過 Cookie，將 session_id 傳回服務(wù)器。

　　5、服務(wù)器收到 session_id，找到前期保存的數(shù)據(jù)，由此得知用戶的身份。

　　這種模式的問題在于，擴展性(scaling)不好。單機當然沒有問題，如果是服務(wù)器集群，或者是跨域的服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)，就要求 session 數(shù)據(jù)共享，每臺服務(wù)器都能夠讀取 session。

　　舉例來說，A 網(wǎng)站和 B 網(wǎng)站是同一家公司的關(guān)聯(lián)服務(wù)?，F(xiàn)在要求，用戶只要在其中一個網(wǎng)站登錄，再訪問另一個網(wǎng)站就會自動登錄，請問怎么實現(xiàn)?

　　一種解決方案是 session 數(shù)據(jù)持久化，寫入數(shù)據(jù)庫或別的持久層。各種服務(wù)收到請求后，都向持久層請求數(shù)據(jù)。這種方案的優(yōu)點是架構(gòu)清晰，缺點是工程量比較大。另外，持久層萬一掛了，就會單點失敗。

　　另一種方案是服務(wù)器索性不保存 session 數(shù)據(jù)了，所有數(shù)據(jù)都保存在客戶端，每次請求都發(fā)回服務(wù)器。JWT 就是這種方案的一個代表。

　　二、JWT 的原理

　　JWT 的原理是，服務(wù)器認證以后，生成一個 JSON 對象，發(fā)回給用戶，就像下面這樣。

　　{

　　"姓名": "張三",

　　"角色": "管理員",

　　"到期時間": "2018年7月1日0點0分"

　　}

　　以后，用戶與服務(wù)端通信的時候，都要發(fā)回這個 JSON 對象。服務(wù)器完全只靠這個對象認定用戶身份。為了防止用戶篡改數(shù)據(jù)，服務(wù)器在生成這個對象的時候，會加上簽名(詳見后文)。

　　服務(wù)器就不保存任何 session 數(shù)據(jù)了，也就是說，服務(wù)器變成無狀態(tài)了，從而比較容易實現(xiàn)擴展。

　　三、JWT 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　實際的 JWT 大概就像下面這樣。

　　它是一個很長的字符串，中間用點(.)分隔成三個部分。注意，JWT 內(nèi)部是沒有換行的，這里只是為了便于展示，將它寫成了幾行。

　　JWT 的三個部分依次如下。

　　Header(頭部)

　　Payload(負載)

　　Signature(簽名)

　　寫成一行，就是下面的樣子。

　　Header.Payload.Signature

　　下面依次介紹這三個部分。

　　3.1 Header

　　Header 部分是一個 JSON 對象，描述 JWT 的元數(shù)據(jù)，通常是下面的樣子。

　　{

　　"alg": "HS256",

　　"typ": "JWT"

　　}

　　上面代碼中，alg屬性表示簽名的算法(algorithm)，默認是 HMAC SHA256(寫成 HS256);typ屬性表示這個令牌(token)的類型(type)，JWT 令牌統(tǒng)一寫為JWT。

　　最后，將上面的 JSON 對象使用 Base64URL 算法(詳見后文)轉(zhuǎn)成字符串。

　　3.2 Payload

　　Payload 部分也是一個 JSON 對象，用來存放實際需要傳遞的數(shù)據(jù)。JWT 規(guī)定了7個官方字段，供選用。

　　iss (issuer)：簽發(fā)人

　　exp (expiration time)：過期時間

　　sub (subject)：主題

　　aud (audience)：受眾

　　nbf (Not Before)：生效時間

　　iat (Issued At)：簽發(fā)時間

　　jti (JWT ID)：編號

　　除了官方字段，你還可以在這個部分定義私有字段，下面就是一個例子。

　　{

　　"sub": "1234567890",

　　"name": "John Doe",

　　"admin": true

　　}

　　注意，JWT 默認是不加密的，任何人都可以讀到，所以不要把秘密信息放在這個部分。

　　這個 JSON 對象也要使用 Base64URL 算法轉(zhuǎn)成字符串。

　　3.3 Signature

　　Signature 部分是對前兩部分的簽名，防止數(shù)據(jù)篡改。

　　首先，需要指定一個密鑰(secret)。這個密鑰只有服務(wù)器才知道，不能泄露給用戶。然后，使用 Header 里面指定的簽名算法(默認是 HMAC SHA256)，按照下面的公式產(chǎn)生簽名。

　　HMACSHA256(

　　base64UrlEncode(header) + "." +

　　base64UrlEncode(payload),

　　secret)

　　算出簽名以后，把 Header、Payload、Signature 三個部分拼成一個字符串，每個部分之間用"點"(.)分隔，就可以返回給用戶。

　　3.4 Base64URL

　　前面提到，Header 和 Payload 串型化的算法是 Base64URL。這個算法跟 Base64 算法基本類似，但有一些小的不同。

　　JWT 作為一個令牌(token)，有些場合可能會放到 URL(比如 api.example.com/?token=xxx)。Base64 有三個字符+、/和=，在 URL 里面有特殊含義，所以要被替換掉：=被省略、+替換成-，/替換成_ 。這就是 Base64URL 算法。

　　四、JWT 的使用方式

　　客戶端收到服務(wù)器返回的 JWT，可以儲存在 Cookie 里面，也可以儲存在 localStorage。

　　此后，客戶端每次與服務(wù)器通信，都要帶上這個 JWT。你可以把它放在 Cookie 里面自動發(fā)送，但是這樣不能跨域，所以更好的做法是放在 HTTP 請求的頭信息Authorization字段里面。

　　Authorization: Bearer

　　另一種做法是，跨域的時候，JWT 就放在 POST 請求的數(shù)據(jù)體里面。

　　五、JWT 的幾個特點

　　(1)JWT 默認是不加密，但也是可以加密的。生成原始 Token 以后，可以用密鑰再加密一次。

　　(2)JWT 不加密的情況下，不能將秘密數(shù)據(jù)寫入 JWT。

　　(3)JWT 不僅可以用于認證，也可以用于交換信息。有效使用 JWT，可以降低服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫的次數(shù)。

　　(4)JWT 的最大缺點是，由于服務(wù)器不保存 session 狀態(tài)，因此無法在使用過程中廢止某個 token，或者更改 token 的權(quán)限。也就是說，一旦 JWT 簽發(fā)了，在到期之前就會始終有效，除非服務(wù)器部署額外的邏輯。

　　(5)JWT 本身包含了認證信息，一旦泄露，任何人都可以獲得該令牌的所有權(quán)限。為了減少盜用，JWT 的有效期應(yīng)該設(shè)置得比較短。對于一些比較重要的權(quán)限，使用時應(yīng)該再次對用戶進行認證。

　　(6)為了減少盜用，JWT 不應(yīng)該使用 HTTP 協(xié)議明碼傳輸，要使用 HTTPS 協(xié)議傳輸。

　　作者：傳智播客Python培訓(xùn)學(xué)院

　　首發(fā)：http://python.itcast.cn/