一篇文章告诉你JWT的实现原理

在使用 JWT 的时候，有没有想过，为什么我们需要 JWT？以及它的工作原理是什么?

我们就来对比，传统的 session 和 JWT 的区别

我们以一个用户，获取用户资料的例子

传统的 session 流程

浏览器发起请求登陆
服务端验证身份，生成身份验证信息，存储在服务端，并且告诉浏览器写入 Cookie
浏览器发起请求获取用户资料，此时 Cookie 内容也跟随这发送到服务器
服务器发现 Cookie 中有身份信息，验明正身
服务器返回该用户的用户资料

JWT 流程

浏览器发起请求登陆
服务端验证身份，根据算法，将用户标识符打包生成 token, 并且返回给浏览器
浏览器发起请求获取用户资料，把刚刚拿到的 token 一起发送给服务器
服务器发现数据中有 token，验明正身
服务器返回该用户的用户资料

你发现了吗？好些并没有什么区别，除了 session 需要服务端存储一份，而 JWT 不需要

但实际上区别大了去了

session 存储在服务端占用服务器资源，而 JWT 存储在客户端
session 存储在 Cookie 中，存在伪造跨站请求伪造攻击的风险
session 只存在一台服务器上，那么下次请求就必须请求这台服务器，不利于分布式应用
存储在客户端的 JWT 比存储在服务端的 session 更具有扩展性
...

对比完了 session 和 JWT 的区别，下面我们来看看那它的实现原理

JWT 工作原理

jwt

首先 JWT 长这个样

eyJhbGciOiJSUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJpcCI6IjEyNy4wLjAuMSIsInV1aWQiOiJmZjEyMTJmNS1kOGQxLTQ0OTYtYmY0MS1kMmRkYTczZGUxOWEiLCJpYXQiOjE1Mjc1MjMwMTd9.1C01cpOf1N3M9YAYvQjfcLbDGHZ4iPVncCGIoG-lpO0jHOIA_ZHtSMDvK1nzArLpGK5syQSwExsZJz2FJsd2W2TUiHQYtzmQTU8OBXX6mfSZRlkts675W5_WhIiOEwz69GFSD0AKXZifCRgIpKLC0n273MRMr0wJnuBi9ScfJ7YjSiqCr7qyQ5iXeOdS3ObT3wdjjk-Wu9wbWM7R25TFb-7PEZY7r_e8jmczPCVcNbOYegedu73T4d30kRn2jKufTGntD5hR6T9AQsgAMwVR1edEFflWb772TmrHI7WZOAivsBCN9sr4YiyYMvE8lcz_mBsgsunugGiHA3DGxB2ORbjIC8NPm8FI25zGOh9JIM2r_jFFTIm9GiuKtC8Ck8N3-eWi9u1NgBxwLdgN5JyCORnIOlciQEsScg-3SdCTM5LH_j6CeqQNwJxT4-oENzqLSTDJbP-SOj9nnx8HnJ5wh3n64rAvtc89CeTk7PhWFjksHDifngN-cnaszl5lqoF1enz5i9FYYELSjM-G7jns2SyY1MQeLRjuEDriPZtFaGmTW-RLH3gJfQXtbdpEo0_nHBqXEohwoN_FLKo4BNrEwshpyA7vkBpCQC0QALKyC1_L1Q5qduR6dDcqRozAo2VqJXmAKN0rvhLuIEHZkicOZY0Ds4So4GCcleqvFcxm1HQ

眼睛看仔细一些，你会发现 JWT 里面有两个.

数据格式是这样的 header.payload.signature

我们逐个逐个部分去分析，这个部分到底是干嘛的，有什么用

Header

JWT 的 header 中承载了两部分信息

{
  "alg": "RS256",
  "typ": "JWT"
}

alg: 声明加密的算法
typ: 声明类型

对这个头部信息进行 base64，即可得到 header 部分

const headerBuff = Buffer.from(
  JSON.stringify({
    alg: "RS256",
    typ: "JWT"
  })
);

const header = headerBuff.toString("base64");

console.log(header);
// eyJhbGciOiJSUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9

Payload

payload 是主体部分，意为载体，承载着有效的 JWT 数据包，它包含三个部分

标准声明
公共声明
私有声明

标准声明的字段

interface Stantar {
  iss?: string; // JWT的签发者
  sub?: string; // JWT所面向的用户
  aud?: string; // 接收JWT的一方
  exp?: number; // JWT的过期时间
  nbf?: number; // 在xxx日期之间，该JWT都是可用的
  iat?: number; // 该JWT签发的时间
  jti?: number; //JWT的唯一身份标识
}

标准中建议使用这些字段，但不强制。

公共声明的字段

interface Public {
  [key: string]: any;
}

公共声明字段可以添加任意信息，但是因为可以被解密出来，所以不要存放敏感信息。

私有声明的字段

interface Private {
  [key: string]: any;
}

私有声明是 JWT 提供者添加的字段，一样可以被解密，所以也不能存放敏感信息。

上面的 JWT 的 payload 结构是这样的

{
  "ip": "127.0.0.1",
  "uuid": "ff1212f5-d8d1-4496-bf41-d2dda73de19a",
  "iat": 1527523017
}

同样是通过 base64 加密生成第二部分的 payload

const payloadBuffer = Buffer.from(
  JSON.stringify({
    ip: "127.0.0.1",
    uuid: "ff1212f5-d8d1-4496-bf41-d2dda73de19a",
    iat: 1527523017
  })
);

const payload = payloadBuffer.toString("base64");

console.log(payload);
// eyJpcCI6IjEyNy4wLjAuMSIsInV1aWQiOiJmZjEyMTJmNS1kOGQxLTQ0OTYtYmY0MS1kMmRkYTczZGUxOWEiLCJpYXQiOjE1Mjc1MjMwMTd9

Signature

signature 是签证信息，该签证信息是通过header和payload，加上secret，通过算法加密生成。

公式 signature = 加密算法(header + "." + payload, 密钥);

上面的 header 中，我们已经定义了加密算法使用 RS256，也已经实现了生成header和payload，下面我们来生成 signature

const crypto = require("crypto");
const sign = crypto.createSign("SHA256");
const secret = `私钥，太长我就不贴出来了`;

sign.write(header + "." + payload);
sign.end();

const signature = sign
  .sign(secret, "base64")
  // 在JWT库中，已经把这些字符过滤掉了
  .replace(/=/g, "")
  .replace(/\+/g, "-")
  .replace(/\//g, "_");

console.log(signature);

到此，已经实现了如何生成一个 JWT 的 token.

它是如何做身份验证的？

首先，JWT 的 Token 相当是明文，是可以解密的，任何存在 payload 的东西，都没有秘密可言，所以隐私数据不能签发 token。

而服务端，拿到 token 后解密，即可知道用户信息，例如本例中的uuid

有了 uuid，那么你就知道这个用户是谁，是否有权限进行下一步的操作。

Token 的过期时间怎么确定？

payload 中有个标准字段 exp，明确表示了这个 token 的过期时间.

服务端可以拿这个时间与服务器时间作对比，过期则拒绝访问。

如何防止 Token 被串改？

此时 signature字段就是关键了，能被解密出明文的，只有header和payload

假如黑客/中间人串改了payload，那么服务器可以通过signature去验证是否被篡改过。

在服务端在执行一次 signature = 加密算法(header + "." + payload, 密钥);, 然后对比 signature 是否一致，如果一致则说明没有被篡改。

所以为什么说服务器的密钥不能被泄漏。

如果泄漏，将存在以下风险:

客户端可以自行签发 token
黑客/中间人可以肆意篡改 token

安全性相关

如果加强 JWT 的安全性？

根据我的使用，总结以下几点：

缩短 token 有效时间
使用安全系数高的加密算法
token 不要放在 Cookie 中，有 CSRF 风险
使用 HTTPS 加密协议
对标准字段 iss、sub、aud、nbf、exp 进行校验
使用成熟的开源库，不要手贱造轮子
特殊场景下可以把用户的 UA、IP 放进 payload 进行校验(不推荐)

参考文献

RFC 7519

以上纯属个人愚见，大神笑笑就好. 本来JWT已经是烂大街的东西，奈何还是有些所谓的架构师在不了解的情况下zxc/.,$87^%aslkvnzc

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