JWT了解和实际使用

一、JWT

JSON Web Token（JWT）是目前最流行的跨域身份验证解决方案。虫虫今天给大家介绍JWT的原理和用法。

1.跨域身份验证

Internet服务无法与用户身份验证分开。一般过程如下。

1.用户向服务器发送用户名和密码。

2.验证服务器后，相关数据（如用户角色，登录时间等）将保存在当前会话中。

3.服务器向用户返回session_id，session信息都会写入到用户的Cookie。

4.用户的每个后续请求都将通过在Cookie中取出session_id传给服务器。

5.服务器收到session_id并对比之前保存的数据，确认用户的身份。

这种模式最大的问题是，没有分布式架构，无法支持横向扩展。如果使用一个服务器，该模式完全没有问题。但是，如果它是服务器群集或面向服务的跨域体系结构的话，则需要一个统一的session数据库库来保存会话数据实现共享，这样负载均衡下的每个服务器才可以正确的验证用户身份。

例如虫虫举一个实际中常见的单点登陆的需求：站点A和站点B提供同一公司的相关服务。现在要求用户只需要登录其中一个网站，然后它就会自动登录到另一个网站。怎么做？

一种解决方案是听过持久化session数据，写入数据库或文件持久层等。收到请求后，验证服务从持久层请求数据。该解决方案的优点在于架构清晰，而缺点是架构修改比较费劲，整个服务的验证逻辑层都需要重写，工作量相对较大。而且由于依赖于持久层的数据库或者问题系统，会有单点风险，如果持久层失败，整个认证体系都会挂掉。

本文虫虫给大家介绍另外一种灵活的解决方案，通过客户端保存数据，而服务器根本不保存会话数据，每个请求都被发送回服务器。 JWT是这种解决方案的代表。

2. JWT的原则

JWT的原则是在服务器身份验证之后，将生成一个JSON对象并将其发送回用户，如下所示。

{

"UserName": "Chongchong",

"Role": "Admin",

"Expire": "2018-08-08 20:15:56"

}

之后，当用户与服务器通信时，客户在请求中发回JSON对象。服务器仅依赖于这个JSON对象来标识用户。为了防止用户篡改数据，服务器将在生成对象时添加签名（有关详细信息，请参阅下文）。

服务器不保存任何会话数据，即服务器变为无状态，使其更容易扩展。

3. JWT的数据结构

典型的，一个JWT看起来如下图。

改对象为一个很长的字符串，字符之间通过"."分隔符分为三个子串。注意JWT对象为一个长字串，各字串之间也没有换行符，此处为了演示需要，我们特意分行并用不同颜色表示了。每一个子串表示了一个功能块，总共有以下三个部分：

JWT的三个部分如下。JWT头、有效载荷和签名，将它们写成一行如下。

我们将在下面介绍这三个部分。

3.1 JWT头

JWT头部分是一个描述JWT元数据的JSON对象，通常如下所示。

{

"alg": "HS256",

"typ": "JWT"

}

在上面的代码中，alg属性表示签名使用的算法，默认为HMAC SHA256（写为HS256）；typ属性表示令牌的类型，JWT令牌统一写为JWT。

最后，使用Base64 URL算法将上述JSON对象转换为字符串保存。

3.2 有效载荷

有效载荷部分，是JWT的主体内容部分，也是一个JSON对象，包含需要传递的数据。 JWT指定七个默认字段供选择。

iss：发行人

exp：到期时间

sub：主题

aud：用户

nbf：在此之前不可用

iat：发布时间

jti：JWT ID用于标识该JWT

除以上默认字段外，我们还可以自定义私有字段，如下例：

{

"sub": "1234567890",

"name": "chongchong",

"admin": true

}

请注意，默认情况下JWT是未加密的，任何人都可以解读其内容，因此不要构建隐私信息字段，存放保密信息，以防止信息泄露。

JSON对象也使用Base64 URL算法转换为字符串保存。

3.3签名哈希

签名哈希部分是对上面两部分数据签名，通过指定的算法生成哈希，以确保数据不会被篡改。

首先，需要指定一个密码（secret）。该密码仅仅为保存在服务器中，并且不能向用户公开。然后，使用标头中指定的签名算法（默认情况下为HMAC SHA256）根据以下公式生成签名。

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

secret)

在计算出签名哈希后，JWT头，有效载荷和签名哈希的三个部分组合成一个字符串，每个部分用"."分隔，就构成整个JWT对象。

3.4 Base64URL算法

如前所述，JWT头和有效载荷序列化的算法都用到了Base64URL。该算法和常见Base64算法类似，稍有差别。

作为令牌的JWT可以放在URL中（例如api.example/?token=xxx）。 Base64中用的三个字符是"+"，"/"和"="，由于在URL中有特殊含义，因此Base64URL中对他们做了替换："="去掉，"+"用"-"替换，"/"用"_"替换，这就是Base64URL算法，很简单把。

4. JWT的用法

客户端接收服务器返回的JWT，将其存储在Cookie或localStorage中。

此后，客户端将在与服务器交互中都会带JWT。如果将它存储在Cookie中，就可以自动发送，但是不会跨域，因此一般是将它放入HTTP请求的Header Authorization字段中。

Authorization: Bearer

当跨域时，也可以将JWT被放置于POST请求的数据主体中。

5. JWT问题和趋势

1、JWT默认不加密，但可以加密。生成原始令牌后，可以使用改令牌再次对其进行加密。

2、当JWT未加密方法是，一些私密数据无法通过JWT传输。

3、JWT不仅可用于认证，还可用于信息交换。善用JWT有助于减少服务器请求数据库的次数。

4、JWT的最大缺点是服务器不保存会话状态，所以在使用期间不可能取消令牌或更改令牌的权限。也就是说，一旦JWT签发，在有效期内将会一直有效。

5、JWT本身包含认证信息，因此一旦信息泄露，任何人都可以获得令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT的有效期不宜设置太长。对于某些重要操作，用户在使用时应该每次都进行进行身份验证。

6、为了减少盗用和窃取，JWT不建议使用HTTP协议来传输代码，而是使用加密的HTTPS协议进行传输。

二、php后端实现JWT认证方法

1.JWT使用流程

1. 初次登录：用户初次登录，输入用户名密码
2. 密码验证：服务器从数据库取出用户名和密码进行验证
3. 生成JWT：服务器端验证通过，根据从数据库返回的信息，以及预设规则，生成JWT
4. 返还JWT：服务器的HTTP RESPONSE中将JWT返还
5. 带JWT的请求：以后客户端发起请求，HTTP REQUEST
6. HEADER中的Authorizatio字段都要有值，为JWT
7. 服务器验证JWT

2.PHP如何实现JWT

<?php
/**
 * PHP实现jwt
 */
class Jwt {

    //头部
    private static $header=array(
        'alg'=>'HS256', //生成signature的算法
        'typ'=>'JWT'    //类型
    );

    //使用HMAC生成信息摘要时所使用的密钥
    private static $key='123456';


    /**
     * 获取jwt token
     * @param array $payload jwt载荷   格式如下非必须
     * [
     *  'iss'=>'jwt_admin',  //该JWT的签发者
     *  'iat'=>time(),  //签发时间
     *  'exp'=>time()+7200,  //过期时间
     *  'nbf'=>time()+60,  //该时间之前不接收处理该Token
     *  'sub'=>'www.admin.com',  //面向的用户
     *  'jti'=>md5(uniqid('JWT').time())  //该Token唯一标识
     * ]
     * @return bool|string
     */
    public static function getToken(array $payload)
    {
        if(is_array($payload))
        {
            $base64header=self::base64UrlEncode(json_encode(self::$header,JSON_UNESCAPED_UNICODE));
            $base64payload=self::base64UrlEncode(json_encode($payload,JSON_UNESCAPED_UNICODE));
            $token=$base64header.'.'.$base64payload.'.'.self::signature($base64header.'.'.$base64payload,self::$key,self::$header['alg']);
            return $token;
        }else{
            return false;
        }
    }


    /**
     * 验证token是否有效,默认验证exp,nbf,iat时间
     * @param string $Token 需要验证的token
     * @return bool|string
     */
    public static function verifyToken(string $Token)
    {
        $tokens = explode('.', $Token);
        if (count($tokens) != 3)
            return false;

        list($base64header, $base64payload, $sign) = $tokens;

        //获取jwt算法
        $base64decodeheader = json_decode(self::base64UrlDecode($base64header), JSON_OBJECT_AS_ARRAY);
        if (empty($base64decodeheader['alg']))
            return false;

        //签名验证
        if (self::signature($base64header . '.' . $base64payload, self::$key, $base64decodeheader['alg']) !== $sign)
            return false;

        $payload = json_decode(self::base64UrlDecode($base64payload), JSON_OBJECT_AS_ARRAY);

        //签发时间大于当前服务器时间验证失败
        if (isset($payload['iat']) && $payload['iat'] > time())
            return false;

        //过期时间小宇当前服务器时间验证失败
        if (isset($payload['exp']) && $payload['exp'] < time())
            return false;

        //该nbf时间之前不接收处理该Token
        if (isset($payload['nbf']) && $payload['nbf'] > time())
            return false;

        return $payload;
    }




    /**
     * base64UrlEncode   https://jwt.io/  中base64UrlEncode编码实现
     * @param string $input 需要编码的字符串
     * @return string
     */
    private static function base64UrlEncode(string $input)
    {
        return str_replace('=', '', strtr(base64_encode($input), '+/', '-_'));
    }

    /**
     * base64UrlEncode  https://jwt.io/  中base64UrlEncode解码实现
     * @param string $input 需要解码的字符串
     * @return bool|string
     */
    private static function base64UrlDecode(string $input)
    {
        $remainder = strlen($input) % 4;
        if ($remainder) {
            $addlen = 4 - $remainder;
            $input .= str_repeat('=', $addlen);
        }
        return base64_decode(strtr($input, '-_', '+/'));
    }

    /**
     * HMACSHA256签名   https://jwt.io/  中HMACSHA256签名实现
     * @param string $input 为base64UrlEncode(header).".".base64UrlEncode(payload)
     * @param string $key
     * @param string $alg   算法方式
     * @return mixed
     */
    private static function signature(string $input, string $key, string $alg = 'HS256')
    {
        $alg_config=array(
            'HS256'=>'sha256'
        );
        return self::base64UrlEncode(hash_hmac($alg_config[$alg], $input, $key,true));
    }
}

    //测试和官网是否匹配begin
    $payload=array('sub'=>'1234567890','name'=>'John Doe','iat'=>1516239022);
    $jwt=new Jwt;
    $token=$jwt->getToken($payload);
    echo "<pre>";
    echo $token;
    
    //对token进行验证签名
    $getPayload=$jwt->verifyToken($token);
    echo "<br><br>";
    var_dump($getPayload);
    echo "<br><br>";
    //测试和官网是否匹配end
    
    
    //自己使用测试begin
    $payload_test=array('iss'=>'admin','iat'=>time(),'exp'=>time()+7200,'nbf'=>time(),'sub'=>'www.admin.com','jti'=>md5(uniqid('JWT').time()));;
    $token_test=Jwt::getToken($payload_test);
    echo "<pre>";
    echo $token_test;
    
    //对token进行验证签名
    $getPayload_test=Jwt::verifyToken($token_test);
    echo "<br><br>";
    var_dump($getPayload_test);
    echo "<br><br>";
    //自己使用时候end

参考地址：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1608021814182894637&wfr=spider&for=pc

https://segmentfault.com/a/1190000016251365