JSON Web Token(缩写 JWT)是目前最流行的跨域认证解决方案,本文介绍它的原理和用法。
互联网服务离不开用户认证。一般流程是下面这样。
这种模式的问题在于,扩展性(scaling)不好。单机当然没有问题,如果是服务器集群,或者是跨域的服务导向架构,就要求 session 数据共享,每台服务器都能够读取 session。
举例来说,A 网站和 B 网站是同一家公司的关联服务。现在要求,用户只要在其中一个网站登录,再访问另一个网站就会自动登录,请问怎么实现?
一种解决方案是 session 数据持久化,写入数据库或别的持久层。各种服务收到请求后,都向持久层请求数据。这种方案的优点是架构清晰,缺点是工程量比较大。另外,持久层万一挂了,就会单点失败。
另一种方案是服务器索性不保存 session 数据了,所有数据都保存在客户端,每次请求都发回服务器。JWT 就是这种方案的一个代表。
JWT 的原理是,服务器认证以后,生成一个 JSON 对象,发回给用户,就像下面这样:
{
"姓名": "张三",
"角色": "管理员",
"到期时间": "2022年7月1日0点0分"
}
以后,用户与服务端通信的时候,都要发回这个 JSON 对象。服务器完全只靠这个对象认定用户身份。为了防止用户篡改数据,服务器在生成这个对象的时候,会加上签名(详见后文)。
服务器就不保存任何 session 数据了,也就是说,服务器变成无状态了,从而比较容易实现扩展。
实际的 JWT 大概就像下面这样:
它是一个很长的字符串,中间用点(.)分隔成三个部分。注意,JWT 内部是没有换行的,这里只是为了便于展示,将它写成了几行。
JWT 的三个部分依次如下:
写成一行,就是下面的样子:
Header.Payload.Signature
下面依次介绍这三个部分。
Header 部分是一个 JSON 对象,描述 JWT 的元数据,通常是下面的样子。
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}
上面代码中,alg属性表示签名的算法(algorithm),默认是 HMAC SHA256(写成 HS256);typ属性表示这个令牌(token)的类型(type),JWT 令牌统一写为 JWT。
最后,将上面的 JSON 对象使用 Base64URL 算法(详见后文)转成字符串。
Payload 部分也是一个 JSON 对象,用来存放实际需要传递的数据。JWT 规定了 7 个官方字段,供选用。
除了官方字段,你还可以在这个部分定义私有字段,下面就是一个例子。
{
"sub": "1234567890",
"name": "John Doe",
"admin": true
}
注意,JWT 默认是不加密的,任何人都可以读到,所以不要把秘密信息放在这个部分。这个 JSON 对象也要使用 Base64URL 算法转成字符串。
Signature 部分是对前两部分的签名,防止数据篡改。
首先,需要指定一个密钥(secret)。这个密钥只有服务器才知道,不能泄露给用户。然后,使用 Header 里面指定的签名算法(默认是 HMAC SHA256),按照下面的公式产生签名。
HMACSHA256(
base64UrlEncode(header) + "." +
base64UrlEncode(payload),
secret)
算出签名以后,把 Header、Payload、Signature 三个部分拼成一个字符串,每个部分之间用"点"(.)分隔,就可以返回给用户。
前面提到,Header 和 Payload 串型化的算法是 Base64URL。这个算法跟 Base64 算法基本类似,但有一些小的不同。
JWT 作为一个令牌(token),有些场合可能会放到 URL(比如 api.example.com/?token=xxx)。Base64 有三个字符 +、 / 和 =,在 URL 里面有特殊含义,所以要被替换掉:= 被省略、+ 替换成 -,/ 替换成 _ 。这就是 Base64URL 算法。
客户端收到服务器返回的 JWT,可以储存在 Cookie 里面,也可以储存在 localStorage。
此后,客户端每次与服务器通信,都要带上这个 JWT。你可以把它放在 Cookie 里面自动发送,但是这样不能跨域,所以更好的做法是放在 HTTP 请求的头信息 Authorization 字段里面。
Authorization: Bearer <token>
另一种做法是,跨域的时候,JWT 就放在 POST 请求的数据体里面。