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JWT的主要原理是什么？为什么要用JWT？

研发专家-文松 • • 技术洞察 • 阅读 71

在当今的数字化时代，安全认证与数据传输的机密性成为了网络应用不可或缺的一部分。JWT（JSON Web Tokens）作为一种开放标准（RFC 7519），凭借其简洁性、自包含性和安全性，成为了许多现代Web应用程序中用于双方之间安全传输信息的首选机制。那么，JWT的主要原理是什么？它又是如何在保障数据安全与高效传输方面发挥作用的呢？本文将深入探讨JWT的核心原理及其在现代网络开发中的重要作用。

一、为什么要用JWT？

随着前后端分离的发展，以及数据中心的建立，越来越多的公司会创建一个中心服务器，服务于各种产品线。而这些产品线上的产品，它们可能有着各种终端设备，包括但不仅限于浏览器、桌面应用、移动端应用、平板应用、甚至智能家居。

JWT的主要原理是什么？为什么要用JWT？

实际上，不同的产品线通常有自己的服务器，产品内部的数据一般和自己的服务器交互。但中心服务器仍然有必要存在，因为同一家公司的产品总是会存在共享的数据，比如用户数据。这些设备与中心服务器之间会进行http通信。一般来说，中心服务器至少承担着认证和授权的功能，例如登录：各种设备发送消息到中心服务器，然后中心服务器响应一个身份令牌。当这种结构出现后，就出现一个问题：它们之间还能使用传统的cookie方式传递令牌信息吗？其实也是可以的，因为cookie在传输中无非是一个消息头而已，只不过浏览器对这个消息头有特殊处理罢了。但浏览器之外的设备肯定不喜欢cookie，因为浏览器有着对cookie完善的管理机制，但是在其他设备上，就需要开发者自己手动处理了。jwt的出现就是为了解决这个问题。

二、JWT概述

jwt全称Json Web Token，强行翻译过来就是json格式的互联网令牌。它要解决的问题，就是为多种终端设备，提供统一的、安全的令牌格式。

JWT的主要原理是什么？为什么要用JWT？

因此，jwt只是一个令牌格式而已，你可以把它存储到cookie，也可以存储到localstorage，没有任何限制！

同样的，对于传输，你可以使用任何传输方式来传输jwt，一般来说，我们会使用消息头来传输它

HTTP/1.1 200 OK
...
set-cookie:token=jwt令牌
authorization:jwt令牌
...

{..., token:jwt令牌}

可以看到，jwt令牌可以出现在响应的任何一个地方，客户端和服务器自行约定即可。

当然，它也可以出现在响应的多个地方，比如为了充分利用浏览器的cookie，同时为了照顾其他设备，也可以让jwt出现在set-cookie和authorization或body中，尽管这会增加额外的传输量。

当客户端拿到令牌后，它要做的只有一件事：存储它。

你可以存储到任何位置，比如手机文件、PC文件、localstorage、cookie。

当后续请求发生时，你只需要将它作为请求的一部分发送到服务器即可。

虽然jwt没有明确要求应该如何附带到请求中，但通常我们会使用如下的格式：

GET /api/resources HTTP/1.1
...
authorization: bearer jwt令牌
...

这种格式是OAuth2附带token的一种规范格式，至于什么是OAuth2，那是另一个话题了。

这样一来，服务器就能够收到这个令牌了，通过对令牌的验证，即可知道该令牌是否有效。

它们的完整交互流程是非常简单清晰的。

JWT的主要原理是什么？为什么要用JWT？

三、令牌的组成

为了保证令牌的安全性，jwt令牌由三个部分组成，分别是：

  1. header：令牌头部，记录了整个令牌的类型和签名算法
  2. payload：令牌负荷，记录了保存的主体信息，比如你要保存的用户信息就可以放到这里
  3. signature：令牌签名，按照头部固定的签名算法对整个令牌进行签名，该签名的作用是：保证令牌不被伪造和篡改

它们组合而成的完整格式是：header.payload.signature

比如，一个完整的jwt令牌如下：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9.BCwUy3jnUQ_E6TqCayc7rCHkx-vxxdagUwPOWqwYCFc

它各个部分的值分别是：

  • header：eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9
  • payload：eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9
  • signature: BCwUy3jnUQ_E6TqCayc7rCHkx-vxxdagUwPOWqwYCFc

下面分别对每个部分进行说明

header

它是令牌头部，记录了整个令牌的类型和签名算法

它的格式是一个json对象，如下：

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

该对象记录了：

  • alg：signature部分使用的签名算法，通常可以取两个值
    • HS256：一种对称加密算法，使用同一个秘钥对signature加密解密
    • RS256：一种非对称加密算法，使用私钥加密，公钥解密
  • typ：整个令牌的类型，固定写JWT即可

设置好了header之后，就可以生成header部分了

具体的生成方式及其简单，就是把header部分使用base64 url编码即可

base64 url不是一个加密算法，而是一种编码方式，它是在base64算法的基础上对+、=、/三个字符做出特殊处理的算法

而base64是使用64个可打印字符来表示一个二进制数据，具体的做法参考百度百科

浏览器提供了btoa函数，可以完成这个操作：

window.btoa(JSON.stringify({
    "alg":"HS256",
    "typ":"JWT"
}))
// 得到字符串：eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9

同样的，浏览器也提供了atob函数，可以对其进行解码：

window.atob("eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9")
// 得到字符串：{"alg":"HS256","typ":"JWT"}

nodejs中没有提供这两个函数，可以安装第三方库atob和bota搞定

或者，手动搞定

payload

这部分是jwt的主体信息，它仍然是一个JSON对象，它可以包含以下内容：

{
  "ss"："发行者",
  "iat"："发布时间",
  "exp"："到期时间",
  "sub"："主题",
  "aud"："听众",
  "nbf"："在此之前不可用",
  "jti"："JWT ID"
}

以上属性可以全写，也可以一个都不写，它只是一个规范，就算写了，也需要你在将来验证这个jwt令牌时手动处理才能发挥作用

上述属性表达的含义分别是：

  • ss：发行该jwt的是谁，可以写公司名字，也可以写服务名称
  • iat：该jwt的发放时间，通常写当前时间的时间戳
  • exp：该jwt的到期时间，通常写时间戳
  • sub：该jwt是用于干嘛的
  • aud：该jwt是发放给哪个终端的，可以是终端类型，也可以是用户名称，随意一点
  • nbf：一个时间点，在该时间点到达之前，这个令牌是不可用的
  • jti：jwt的唯一编号，设置此项的目的，主要是为了防止重放攻击（重放攻击是在某些场景下，用户使用之前的令牌发送到服务器，被服务器正确的识别，从而导致不可预期的行为发生）

可是到现在，看了半天，没有出现我想要写入的数据啊😂

当用户登陆成功之后，我可能需要把用户的一些信息写入到jwt令牌中，比如用户id、账号等等（密码就算了😳）

其实很简单，payload这一部分只是一个json对象而已，你可以向对象中加入任何想要加入的信息

比如，下面的json对象仍然是一个有效的payload

{
   "foo":"bar",
   "iat":1587548215
}

foo: bar是我们自定义的信息，iat: 1587548215是jwt规范中的信息

最终，payload部分和header一样，需要通过base64 url编码得到：

window.btoa(JSON.stringify({
    "foo":"bar",
    "iat":1587548215
}))
// 得到字符串：eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9

signature

这一部分是jwt的签名，正是它的存在，保证了整个jwt不被篡改

这部分的生成，是对前面两个部分的编码结果，按照头部指定的方式进行加密

比如：头部指定的加密方法是HS256，前面两部分的编码结果是eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9

则第三部分就是用对称加密算法HS256对字符串eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9进行加密，当然你得指定一个秘钥，比如shhhhh

HS256(eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9, "shhhhh")
// 得到：BCwUy3jnUQ_E6TqCayc7rCHkx-vxxdagUwPOWqwYCFc

最终，将三部分组合在一起，就得到了完整的jwt

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJmb28iOiJiYXIiLCJpYXQiOjE1ODc1NDgyMTV9.BCwUy3jnUQ_E6TqCayc7rCHkx-vxxdagUwPOWqwYCFc

由于签名使用的秘钥保存在服务器，这样一来，客户端就无法伪造出签名，因为它拿不到秘钥。

换句话说，之所以说无法伪造jwt，就是因为第三部分的存在。

而前面两部分并没有加密，只是一个编码结果而已，可以认为几乎是明文传输

这不会造成太大的问题，因为既然用户登陆成功了，它当然有权力查看自己的用户信息

甚至在某些网站，用户的基本信息可以被任何人查看

你要保证的，是不要把敏感的信息存放到jwt中，比如密码

jwt的signature可以保证令牌不被伪造，那如何保证令牌不被篡改呢？

比如，某个用户登陆成功了，获得了jwt，但他人为的篡改了payload，比如把自己的账户余额修改为原来的两倍，然后重新编码出payload发送到服务器，服务器如何得知这些信息被篡改过了呢？

这就要说到令牌的验证了

四、令牌的验证

JWT的主要原理是什么？为什么要用JWT？

令牌在服务器组装完成后，会以任意的方式发送到客户端

客户端会把令牌保存起来，后续的请求会将令牌发送给服务器

而服务器需要验证令牌是否正确，如何验证呢？

首先，服务器要验证这个令牌是否被篡改过，验证方式非常简单，就是对header+payload用同样的秘钥和加密算法进行重新加密

然后把加密的结果和传入jwt的signature进行对比，如果完全相同，则表示前面两部分没有动过，就是自己颁发的，如果不同，肯定是被篡改过了。

传入的header.传入的payload.传入的signature
新的signature = header中的加密算法(传入的header.传入的payload, 秘钥)
验证：新的signature == 传入的signature

当令牌验证为没有被篡改后，服务器可以进行其他验证：比如是否过期、听众是否满足要求等等，这些就视情况而定了

注意：这些验证都需要服务器手动完成，没有哪个服务器会给你进行自动验证，当然，你可以借助第三方库来完成这些操作

总结

最后，总结一下jwt的特点：

  • jwt本质上是一种令牌格式。它和终端设备无关，同样和服务器无关，甚至与如何传输无关，它只是规范了令牌的格式而已
  • jwt由三部分组成：header、payload、signature。主体信息在payload
  • jwt难以被篡改和伪造。这是因为有第三部分的签名存在。
const crypto = require('crypto')

// 定义头部
const header = {
    alg: 'HS256',
    typ: 'JWT'
};

// 定义有效载荷
const payload = {
    userId: 12345,
    username: 'your-username',
    email: 'your-email@example.com',
    exp: Date.now() + 1000
};

// 定义密钥
const secretKey = 'XXX';

// Base64Url 编码函数
const base64UrlEncode = (str) => {
    const result = Buffer.from(JSON.stringify(str)).toString('base64')
        .replace(/=/g, '')
        .replace(/\+/g, '-')
        .replace(/\//g, '_');
    return result
}

// 生成签名
const generateSignature = (header, payload, secret) => {
    const data = `${header}.${payload}`;
    return crypto.createHmac('sha256', secret)
        .update(data)
        .digest('base64')
        .replace(/=/g, '')
        .replace(/\+/g, '-')
        .replace(/\//g, '_');
}

// 生成JWT
const encodedHeader = base64UrlEncode(header);
const encodedPayload = base64UrlEncode(payload);
const signature = generateSignature(encodedHeader, encodedPayload, secretKey);

const jwt = `${encodedHeader}.${encodedPayload}.${signature}`;

console.log(jwt)

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