JSON Web Token（縮寫(xiě) JWT）是目前最流行的跨域認(rèn)證解決方案，本文介紹它的原理和用法。
一、跨域認(rèn)證的問(wèn)題
互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)離不開(kāi)用戶認(rèn)證。一般流程是下面這樣：
- 用戶向服務(wù)器發(fā)送用戶名和密碼。
- 服務(wù)器驗(yàn)證通過(guò)后，在當(dāng)前對(duì)話（session）里面保存相關(guān)數(shù)據(jù)，比如用戶角色、登錄時(shí)間等等。
- 服務(wù)器向用戶返回一個(gè) session_id，寫(xiě)入用戶的 Cookie。
- 用戶隨后的每一次請(qǐng)求，都會(huì)通過(guò) Cookie，將 session_id 傳回服務(wù)器。
- 服務(wù)器收到 session_id，找到前期保存的數(shù)據(jù)，由此得知用戶的身份。
這種模式的問(wèn)題在于，擴(kuò)展性（scaling）不好。單機(jī)當(dāng)然沒(méi)有問(wèn)題，如果是服務(wù)器集群，或者是跨域的服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)，就要求 session 數(shù)據(jù)共享，每臺(tái)服務(wù)器都能夠讀取 session。
舉例來(lái)說(shuō)，A 網(wǎng)站和 B 網(wǎng)站是同一家公司的關(guān)聯(lián)服務(wù)?，F(xiàn)在要求，用戶只要在其中一個(gè)網(wǎng)站登錄，再訪問(wèn)另一個(gè)網(wǎng)站就會(huì)自動(dòng)登錄，請(qǐng)問(wèn)怎么實(shí)現(xiàn)？
一種解決方案是 session 數(shù)據(jù)持久化，寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)或別的持久層。各種服務(wù)收到請(qǐng)求后，都向持久層請(qǐng)求數(shù)據(jù)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是架構(gòu)清晰，缺點(diǎn)是工程量比較大。另外，持久層萬(wàn)一掛了，就會(huì)單點(diǎn)失敗。
另一種方案是服務(wù)器索性不保存 session 數(shù)據(jù)了，所有數(shù)據(jù)都保存在客戶端，每次請(qǐng)求都發(fā)回服務(wù)器。JWT 就是這種方案的一個(gè)代表。
二、JWT 的原理
JWT 的原理是，服務(wù)器認(rèn)證以后，生成一個(gè) JSON 對(duì)象，發(fā)回給用戶，就像下面這樣：
{
"姓名": "張三",
"角色": "管理員",
"到期時(shí)間": "2018年7月1日0點(diǎn)0分"
}
以后，用戶與服務(wù)端通信的時(shí)候，都要發(fā)回這個(gè) JSON 對(duì)象。服務(wù)器完全只靠這個(gè)對(duì)象認(rèn)定用戶身份。為了防止用戶篡改數(shù)據(jù)，服務(wù)器在生成這個(gè)對(duì)象的時(shí)候，會(huì)加上簽名（詳見(jiàn)后文）。
服務(wù)器就不保存任何 session 數(shù)據(jù)了，也就是說(shuō)，服務(wù)器變成無(wú)狀態(tài)了，從而比較容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。
三、JWT 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
實(shí)際的 JWT 大概就像下面這樣:
它是一個(gè)很長(zhǎng)的字符串，中間用點(diǎn)（.）分隔成三個(gè)部分。注意，JWT 內(nèi)部是沒(méi)有換行的，這里只是為了便于展示，將它寫(xiě)成了幾行。
JWT 的三個(gè)部分依次如下:
- Header（頭部）
- Payload（負(fù)載）
- Signature（簽名）
寫(xiě)成一行，就是下面的樣子：Header.Payload.Signature
下面依次介紹這三個(gè)部分:
3.1 Header
Header 部分是一個(gè) JSON 對(duì)象，描述 JWT 的元數(shù)據(jù)，通常是下面的樣子：
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}
上面代碼中，alg 屬性表示簽名的算法（algorithm），默認(rèn)是 HMAC SHA256（寫(xiě)成 HS256）；typ 屬性表示這個(gè)令牌（token）的類(lèi)型（type），JWT 令牌統(tǒng)一寫(xiě)為 JWT。
最后，將上面的 JSON 對(duì)象使用 Base64URL 算法（詳見(jiàn)后文）轉(zhuǎn)成字符串。
3.2 Payload
Payload 部分也是一個(gè) JSON 對(duì)象，用來(lái)存放實(shí)際需要傳遞的數(shù)據(jù)。JWT 規(guī)定了7個(gè)官方字段，供選用:
- iss (issuer)：簽發(fā)人
- exp (expiration time)：過(guò)期時(shí)間
- sub (subject)：主題
- aud (audience)：受眾
- nbf (Not Before)：生效時(shí)間
- iat (Issued At)：簽發(fā)時(shí)間
- jti (JWT ID)：編號(hào)
除了官方字段，你還可以在這個(gè)部分定義私有字段，下面就是一個(gè)例子:
{
"sub": "1234567890",
"name": "John Doe",
"admin": true
}
注意，JWT 默認(rèn)是不加密的，任何人都可以讀到，所以不要把秘密信息放在這個(gè)部分。
這個(gè) JSON 對(duì)象也要使用 Base64URL 算法轉(zhuǎn)成字符串。
3.3 Signature
Signature 部分是對(duì)前兩部分的簽名，防止數(shù)據(jù)篡改。
首先，需要指定一個(gè)密鑰（secret）。這個(gè)密鑰只有服務(wù)器才知道，不能泄露給用戶。然后，使用 Header 里面指定的簽名算法（默認(rèn)是 HMAC SHA256），按照下面的公式產(chǎn)生簽名。
Signature = HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload), secret)
算出簽名以后，把 Header、Payload、Signature 三個(gè)部分拼成一個(gè)字符串，每個(gè)部分之間用"點(diǎn)"（.）分隔，就可以返回給用戶。
3.4 Base64URL
前面提到，Header 和 Payload 串型化的算法是 Base64URL。這個(gè)算法跟 Base64 算法基本類(lèi)似，但有一些小的不同。
JWT 作為一個(gè)令牌（token），有些場(chǎng)合可能會(huì)放到 URL（比如 api.example.com/?token=xxx）。Base64 有三個(gè)字符+、/和=，在 URL 里面有特殊含義，所以要被替換掉：=被省略、+替換成-，/替換成_ 。這就是 Base64URL 算法。
四、JWT 的使用方式
客戶端收到服務(wù)器返回的 JWT，可以儲(chǔ)存在 Cookie 里面，也可以儲(chǔ)存在 localStorage。
此后，客戶端每次與服務(wù)器通信，都要帶上這個(gè) JWT。你可以把它放在 Cookie 里面自動(dòng)發(fā)送，但是這樣不能跨域，所以更好的做法是放在 HTTP 請(qǐng)求的頭信息 ==Authorization== 字段里面。
Authorization: Bearer <token>
另一種做法是，跨域的時(shí)候，JWT 就放在 POST 請(qǐng)求的數(shù)據(jù)體里面。
五、JWT 的幾個(gè)特點(diǎn)
- JWT 默認(rèn)是不加密，但也是可以加密的。生成原始 Token 以后，可以用密鑰再加密一次。
- JWT 不加密的情況下，不能將秘密數(shù)據(jù)寫(xiě)入 JWT。
- JWT 不僅可以用于認(rèn)證，也可以用于交換信息。有效使用 JWT，可以降低服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫(kù)的次數(shù)。
- JWT 的最大缺點(diǎn)是，由于服務(wù)器不保存 session 狀態(tài)，因此無(wú)法在使用過(guò)程中廢止某個(gè) token，或者更改 token 的權(quán)限。也就是說(shuō)，一旦 JWT 簽發(fā)了，在到期之前就會(huì)始終有效，除非服務(wù)器部署額外的邏輯。
- JWT 本身包含了認(rèn)證信息，一旦泄露，任何人都可以獲得該令牌的所有權(quán)限。為了減少盜用，JWT 的有效期應(yīng)該設(shè)置得比較短。對(duì)于一些比較重要的權(quán)限，使用時(shí)應(yīng)該再次對(duì)用戶進(jìn)行認(rèn)證。
- 為了減少盜用，JWT 不應(yīng)該使用 HTTP 協(xié)議明碼傳輸，要使用 HTTPS 協(xié)議傳輸。
