掌握 JWT（JSON Web 令牌）：深入探讨

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JSON Web Token (JWT)详解：跨域认证的流行解决方案

JWT是当前最广泛使用的跨域身份验证解决方案。本文将深入探讨其工作原理和使用方法。

一、跨域认证的挑战

互联网应用离不开用户身份验证。传统的流程通常如下：

1. 用户提交用户名和密码给服务器。
2. 服务器验证通过后，会在当前会话中存储用户信息，例如用户角色、登录时间等。
3. 服务器返回一个session_id给用户，并写入用户的cookie。
4. 用户后续请求都会通过cookie发送session_id给服务器。
5. 服务器根据session_id查找用户信息，确定用户身份。

这种模式的扩展性差。在单机环境下可行，但在服务器集群或跨域微服务架构中，需要会话数据共享，每个服务器都能访问会话数据。例如，网站A和网站B属于同一公司，希望用户登录其中一个网站后，访问另一个网站也能自动登录，该如何实现？

一种方案是将会话数据持久化到数据库或其他存储层，各个服务请求数据时访问持久层。这种方法架构清晰，但工作量大，且持久层故障会造成单点故障。

另一种方案是服务器不存储会话数据，所有数据都保存在客户端，随每次请求发送给服务器。JWT正是这种方案的典型代表。

二、JWT的工作原理

JWT的原理是服务器验证用户身份后，生成一个JSON对象并返回给用户，例如：

{"name": "alice", "role": "admin", "expiration time": "0:00, july 1, 2024"}

用户后续与服务器通信时，需要携带此JSON对象。服务器根据此对象验证用户身份。为了防止数据篡改，服务器生成对象时会添加签名（具体细节稍后介绍）。

服务器不再保存会话数据，成为无状态服务器，更容易实现扩展。

三、JWT的数据结构

实际的JWT是一个长字符串，由点（.）分隔成三部分：

为了便于阅读，这里分行显示，实际JWT中没有换行符。

三部分分别为：

• Header (头部)
• Payload (有效载荷)
• Signature (签名)

写成一行，格式为：Header.Payload.Signature

下面分别介绍这三部分：

3.1 Header (头部)

Header是一个JSON对象，描述JWT的元数据，通常如下：

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

alg属性表示签名算法（algorithm），默认为HMAC SHA256 (HS256)；typ属性表示token类型，JWT token统一为"JWT"。

使用Base64Url算法将JSON对象转换为字符串（稍后详细介绍）。

3.2 Payload (有效载荷)

Payload也是一个JSON对象，存储实际需要传输的数据。JWT定义了7个标准字段：

• iss (Issuer): 发行者
• exp (Expiration Time): 过期时间
• sub (Subject): 主题
• aud (Audience): 观众
• nbf (Not Before): 生效时间
• iat (Issued At): 发行时间
• jti (JWT ID): 唯一标识符

除了标准字段，还可以自定义私有字段。例如：

{"sub": "1234567890", "name": "john doe", "admin": true}

注意，JWT默认不加密，任何人都可读取。因此，不要在Payload中放置敏感信息。

Payload也需要使用Base64Url算法转换为字符串。

3.3 Signature (签名)

Signature是前两部分的签名，用于防止数据篡改。

需要一个密钥（secret），只有服务器知道，不能泄露。使用Header中指定的签名算法（默认为HMAC SHA256），根据以下公式生成签名：

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

计算出签名后，将Header、Payload、Signature组合成一个字符串，用点（.）分隔，返回给用户。

3.4 Base64Url

Header和Payload的编码算法是Base64Url。它与Base64类似，但对URL不安全的字符进行了替换：=省略，+替换为-，/替换为_。

四、JWT的使用方法

客户端收到JWT后，可以存储在cookie或localStorage中。

每次与服务器通信时，需要携带JWT。可以将其放在HTTP请求头的Authorization字段中：

Authorization: Bearer <JWT>

或者在跨域请求时，将其放在POST请求的数据体中。

五、JWT的特点

(1) JWT默认不加密，但可以加密。

(2) 未加密的JWT不能存储敏感数据。

(3) JWT不仅用于身份验证，也可用于信息交换。

(4) JWT最大的缺点是服务器不保存会话状态，无法在使用过程中撤销令牌或更改权限。

(5) JWT本身包含认证信息，一旦泄露，任何人都可获得权限。应设置较短的有效期，并对重要权限进行二次验证。

(6) JWT应通过HTTPS传输，避免明文传输。

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