JWT（Json Web Token）初探与实践

前言
什么是JWT？
为什么使用JWT？
什么时候使用JWT？
JWT的基本结构
Header
Payload
Signature
将他们放在一起
项目实践JWT
后端
前端
关于安全性
总结
参考

协议标准：https://tools.ietf.org/html/rfc7519
jwt.io：https://jwt.io
开箱即用：https://jwt.io/#libraries

前言

最近网站后台迎来第三次改版，原来采用的是jquery+bootstrap这样常规的方式，但是随着网站的交互越来越多，信息量越来越大，就非常力不从心了，每次写动态交互都好痛苦。趁着这次机会，决定采用MVVM的新JS框架，最终评估选择vue.js大礼包，没错！正因为如此，前后端实现了完全分离，就不能采用session这样简单的登陆校验机制了，取而代之的是令牌+RESTful的方式进行交互，此时JWT闪亮登场！

什么是JWT？

JWT（Json Web Token）是一个开放标准（RFC 7519），它基于json对象定义了一种紧凑并且自包含的方式进行安全信息传输。由于消息经过了数字签名，所以是可以被校验和信任的。另外JWT可以使用密匙，或者使用RSA的公钥/私钥进行签名。
其中的一些概念：

• 紧凑：由于其较小的尺寸，JWT可通过URL，POST参数或HTTP标头内发送。 另外，较小的尺寸意味着传输速度很快。
• 自包含：JWT的数据中可以包含用户的必要信息，避免了多次查询数据库的情况。

为什么使用JWT？

session认证
因为http本身是无状态的协议，所以每一次的请求其实都要校验，session的原理就初次登陆的时候将相关信息保存到服务端，响应一个cookie保存到客户端，这样每次请求都携带cookie，服务器能够实现校验，这会面临3个问题
1、难以实现单点登录，除非不同服务器之间共享session
2、session默认保存在服务端，增加服务器的存储压力
3、API调试麻烦

OAuth 2.0
OAuth 一般用于第三方接入的场景，管理对外的权限，比如什么第三方登录，微信授权，开放平台等，类似这些更加严谨的场景，相对来说也更加安全，但是部署过程复杂，授权流程也是麻烦，感觉是有些小题大做。而JWT更适用于类似RESTful API（微服务）之间的交互。

自建token协议
这种情况当然最灵活，但是除非有雄厚的资金实例，多余的时间和必要的情况，否则没必要重复造轮子呐。
曾经我们还用过简单的办法，登陆之后根据用户信息进行加盐hash，该hash值即为token，然后以（hash，value）的形式存储在缓存或者数据库中，每次请求携带hash，然后读取校验该hash是否存在，否则校验失败。这种方式也不失为一种简单快捷的好办法，但是仅仅只能当做token校验，并且相关数据存储在服务器，每次访问都还需要进行一次查询，增加服务器开销

什么时候使用JWT？

下面是一些JWT有用的场景
1、身份校验
这是最常见的的使用场景，一旦用户完成了登陆校验，后面每一次的请求豆浆携带JWT，从而校验用户是否允许访问路由、服务、资源。更重要的是，通过JWT可以非常容易实现SSO（Single Sign On）单点登录，因为开销很小，这就意味着，在一个主站登陆了，别的站点就都可以轻松使用JWT访问。
2、信息交换
从上文可知，JWT是能够被签名的的，所以在安全信息传输中，是一个不错的方案，例如使用公钥私钥时，你可以确定收件人是谁，另外还可以校验确保内容是否被篡改。这样，就可以在一些类似下单、交易等等重要的场合使用。

JWT的基本结构

JWT由三部分组成，他们中间由.分隔：

• Header 头部
• Payload 数据
• Signature 签名

因此，典型的JWT看起来是这样的
xxxxx.yyyyy.zzzzz

Header

头部主要包含2个部分，token类型和采用的加密算法。

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

然后用Base64Url进行编码，就成了JWT的第一个部分

Payload

数据部分包含了主要的声明字段以及相应的值，声明主要包括3种类型：reserved , public 和 private

• Reserved claims: 这些字段是JWT预先定义的，在JWT中并不会强制使用它们，而是推荐使用。
  常用的有：

iss（issuer）: jwt签发者
sub（subject）: 签发的项目
aud（audience）: 接收jwt的一方
exp（exipre）: jwt的过期时间，这个过期时间必须要大于签发时间
nbf（not before）: 定义在什么时间之前，该jwt是不可用的.
iat（issued at）: jwt的签发时间
jti（jwt token id）: jwt的唯一身份标识，主要用来作为一次性token,从而回避重放攻击

需要注意的是，声明名称只有三个字符长度，这是为了让JWT保持紧凑

• Public claims：公共的声明可以添加任何的信息，一般添加用户的相关信息或其他业务需要的必要信息.
• Private claims：私有声明是提供者和消费者所共同定义的声明

简单示例如下：

{
    "iss": "www",
    "iat": 1441593502,
    "exp": 1441594722,
    "aud": "www.example.com",
    "sub": "www@example.com",
    "from_user": "B",
    "target_user": "A"
}

然后用Base64Url进行编码，就成了JWT的第二个部分

Signature

为了创建签名，你需要先对前面的部分进行Base64的编码，然后加上私匙，对其进行签名。
例如，你想使用HMAC SHA256算法进行前面，那么创建过程如下：

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

签名的目的是为了校验JWT的携带者信息，并且检验是否有篡改过所携带的JWT信息。
HMAC SHA256算法计算之后的二进制数据默认进行Base64编码，就是JWT的第三个部分了

将他们放在一起

最终的结果是三段Base64字符串，通过.拼接在一起，这样就很容易在HTML和HTTP环境中传输，与基于XML的标准相比，更加紧凑节省资源。

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9.TJVA95OrM7E2cBab30RMHrHDcEfxjoYZgeFONFh7HgQ

调试工具：https://jwt.io/#debugger-io

项目实践JWT

后端

项目使用的是基于php的thinkphp5.0框架作为后端提供服务。前端则是vue+element-ui+axios，至于php类库，采用的是php中Star最多的
https://github.com/lcobucci/jwt
后端php通过composer安装之后使用起来非常的简单，新建一个类专门用于校验

use LcobucciJWTBuilder;
use LcobucciJWTParser;
use LcobucciJWTSignerHmacSha256;
use LcobucciJWTValidationData;
class Auth
{
    const KEY = 'febcbaae13751fa2ds44c2f107afb08d';
    const VALID_INFO = [
        'Issuer' => 'http://www.xxxx.com',
        'Audience' => 'http://aaa.xxxx.com',
        'Subject' => 'test',
        'Expire' => 259200
    ];
    public static function check()
    {
        $jwt = request()->header('jwt');
        $valid = new ValidationData();
        $valid->setIssuer(self::VALID_INFO['Issuer']);
        $valid->setAudience(self::VALID_INFO['Audience']);
        $valid->setSubject(self::VALID_INFO['Subject']);
        //校验jwt信息，同时校验签名,否则可以伪造信息
        $signer = new Sha256();
        if ($jwt->validate($valid) && $jwt->verify($signer, self::KEY)) {
            $uinfo = $jwt->getClaim('uinfo');           
            //取出数据的时候是对象而不是数组
            $uinfo->id
            //后续的权限校验过程……
        }
    }
    public static function getSignedJWT($userinfo)
    {
        $signer = new Sha256();
        $token = (new Builder())
        ->setIssuer(self::VALID_INFO['Issuer'])
        ->setAudience(self::VALID_INFO['Audience'])
        ->setSubject(self::VALID_INFO['Subject'])
        ->setIssuedAt(time())
        ->setExpiration(time() + self::VALID_INFO['Expire'])
        //可以直接保存数组或对象
        ->set('uinfo', $userinfo)
        ->sign($signer, self::KEY)
        ->getToken()->__toString();
        return $token;
    }
}

前端

登陆的时候保存JWT到localStorage，退出登录时前端删除保存的JWT即可。

   apiLogin.login(this.$data.loginForm).then(res => {
    if (res.data.ret === 0) {
      this.$local.set('jwt', res.data.jwt)
      this.$local.set('menu', res.data.menu)
      this.$local.set('rules', res.data.rules)
      this.$local.set('username', this.loginForm.username)
      this.$local.set('title', res.data.title)
      this.$local.set('gpid', res.data.gpid)
      this.$router.push('index')
      // 原本没有jwt，所以登陆获取之后手动设置一次
      this.$http.defaults.headers.common['jwt'] = this.$local.get('jwt')
    } else {
      this.isLogining = false
      this.$message.error(res.data.msg)
    }
  }).catch(() => {
    this.isLogining = false
  })

base_api.js

import axios from 'axios'
import { Message } from 'element-ui'
import local from 'store'
// Add a request interceptor
axios.interceptors.request.use(function (config) {
  return config
}, function (error) {
  Message.error({
    showClose: true,
    message: '网络异常，请检查您的网络'
  })
  console.log(error)
  // Do something with request error
  return Promise.reject(error)
})
// Add a response interceptor
axios.interceptors.response.use(function (response) {
  // 授权过期，无授权信息，跳出登陆
  if (response.data.ret === 4011 || response.data.ret === 4013) {
    window.location.href = '/#/login'
    // 删除本地的token令牌
    local.remove('jwt')
    Message.error({
      showClose: true,
      message: response.data.msg
    })
    return
  }
  if (response.data.ret === 4012) {
    // 无权限返回
    window.history.back()
    Message.error({
      showClose: true,
      message: response.data.msg
    })
    return
  }
  return response
}, function (error) {
  Message.error({
    showClose: true,
    message: '网络异常，请检查您的网络'
  })
  return Promise.reject(error)
})
const baseUrl = process.env.API_ROOT
axios.defaults.baseURL = baseUrl
// 初始化的时候加载本地储存过的jwt
if (local.get('jwt')) {
  axios.defaults.headers.common['jwt'] = local.get('jwt')
}
export const http = axios

关于安全性

Cookie 可以启用 HttpOnly 和 Secure：

• HttpOnly：禁止浏览器的 JavaScript 环境访问 Cookie，防御针对 Cookie 的 XSS。
• Secure：Cookie 只在 HTTPS 请求中被传输。

但是为了实现正真意义上的无状态和跨域单点，还是坚持存储在LocalStorage，而目前localStorage存储没有对XSS攻击有任何抵御机制，一旦出现XSS漏洞，那么存储在localStorage里的数据就极易被获取到。
如果一个网站存在XSS漏洞，那么攻击者注入如下代码，就可以获取使用localStorage存储在本地的所有信息。

所以务必做好过滤安全检查。

总结

1、JWT并不包含权限校验部分，只包含Token校验，所以在Token校验完成之后，权限部分还需自行校验一次。
2、jwt的payload数据部分不要存放敏感信息，此部分是任何人都可以解密查看的，而jwt主要依靠签名校验身份，同时也不建议存放易改动的信息，否则需要token过期或者重新登录才能来获取最新的信息。
3、签名所用的secret私匙一定要保管好！！！
4、务必使用https，否则用户被截获到token，就可以进行伪造攻击。
5、JWT使用的场景中，一般是要跨域的，所以服务端需要做好CORS的策略支持。见这里
6、若需要强制过期JWT，则在用户表新建一个签名时间字段即可，在登陆的时候检查，若JWT保存签名时间小于服务器签名时间，即强制过期

参考

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