深入了解JWT（JSON Web Token）：概念、工作原理与应用

什么是JWT？

JWT，全称为JSON Web Token，是一种用于在网络应用之间安全传递信息的开放标准。JWT最常用于身份验证和非敏感数据的传递。它的设计目标是让信息在各方之间传递时不需要存储服务器状态（无状态传递），并且能够安全地传递给受信任的接收方。

JWT的基本结构

JWT通常由三部分组成，分别用**点（.）**连接：Header（头部）、Payload（载荷）和Signature（签名）。

1. Header（头部）

JWT的头部包含令牌的元数据，常见的有两项：

• typ: 表示令牌的类型，通常为“JWT”。

• alg: 指定签名算法，常用的有HS256（HMAC SHA-256）、RS256（RSA SHA-256）等。

例如，头部可能是：

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

2. Payload（载荷）

载荷部分包含了JWT的声明。JWT有三种声明类型：

• 注册声明（Registered Claims）：这些是预定义的字段，比如sub（主题，即用户ID）、name（用户名）、iat（签发时间）等。

• 公共声明（Public Claims）：自定义的声明，可以用于传递应用程序特定的信息，但需避免冲突。

• 私有声明（Private Claims）：自定义声明，通常用于双方间的通信，JWT规范并未对其定义，通常只在特定应用中使用。

例如，载荷部分可以包含如下信息：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "admin": true
}

3. Signature（签名）

签名部分用于验证JWT的有效性，防止被篡改。它是通过对Header和Payload进行Base64编码后，将它们连接在一起，用header中声明的加密算法（如HS256）以及一个服务器端存储的密钥（Secret）进行加盐加密生成的。

生成签名的过程如下：

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

注意： secret 是服务器端的私密信息，不应暴露给客户端。一旦客户端知道了这个密钥，便可以伪造JWT。

JWT的加密方式

对称加密（Symmetric Encryption）

常见的对称加密算法有HS256，它使用单一的密钥进行加密和解密操作。只有知道密钥的实体才能验证JWT是否被篡改。

非对称加密（Asymmetric Encryption）

非对称加密算法（如RSA）使用公钥和私钥。公钥用于加密数据，而私钥用于解密数据。JWT也可以使用非对称加密算法进行签名。这种方法通常用于**单点登录（SSO）**等复杂系统中，能够简化身份验证和授权的过程。

JWT的应用场景

JWT的主要应用场景是身份认证和授权。它常用于API身份验证、OAuth2.0身份验证等，适用于分布式系统中，尤其是无状态的应用和微服务架构中。

例如，JWT可以用在以下场景：

• 用户登录认证：用户登录时，服务器生成JWT并发送给客户端，客户端可以在后续请求中携带JWT进行身份验证。

• API身份验证：服务器通过验证JWT来确定请求者的身份，从而允许访问API资源。

• 单点登录（SSO）：利用JWT，用户只需一次登录便可在多个系统之间共享身份信息。

JWT与其他身份认证方式的对比

1. 基于Cookie的Session认证

传统的Session认证方式通过服务器端存储用户的会话状态（Session ID），而JWT采用无状态的方式，所有信息都包含在JWT本身。相比之下，JWT不需要在服务器端维护会话数据，这使得它更适合分布式和微服务架构。

2. API认证

JWT广泛用于RESTful API认证。在API认证中，JWT作为Authorization头部的一部分传递，使用Bearer Token的方式传递JWT，服务器通过验证JWT来认证用户身份。

JWT的优缺点

优点

• 无状态性：JWT不需要在服务器端存储会话信息，减少了服务器负担。

• 跨平台：由于JWT是基于JSON格式的，可以方便地在不同的应用之间传递。

• 易于扩展：可以在JWT的Payload中自定义字段，支持灵活扩展。

缺点

• 不加密：JWT默认不加密，因此任何人都可以解码JWT，获取其中的信息。为了确保安全，JWT只用于传递非敏感信息，或需要额外的加密措施。

• Token泄漏风险：如果JWT被截获，攻击者可以利用其进行伪造身份。因此，必须通过HTTPS等方式确保Token的传输安全。

JWT的安全性：加密与签名

JWT的签名用于确保数据的完整性和防止篡改，但并不加密载荷数据。如果需要保护数据的隐私性，可以使用**JWE（JSON Web Encryption）**进行加密。

• JWS（JSON Web Signature）：对数据进行签名，确保数据未被篡改，但不加密数据。

• JWE（JSON Web Encryption）：对数据进行加密，同时签名，确保数据的隐私性和完整性。