[译] 简单 5 步,理解 JWT

原文: 5 Easy Steps to Understanding JSON Web Tokens (JWT)
作者: Mikey Stecky-Efantis
译者: hhking

这篇文章,将会解释 JSON Web Tokens (JWT) 的基本原理以及为什么使用它们。JWT 是确保你的应用程序可信任和安全的重要部分。JWT 允许以安全的方式来表示信息,例如用户数据。

为了解释 JWT 的工作原理,我们从抽象的定义开始:

JSON Web Token (JWT) 是一个 JSON 对象, 在 RFC 7519 中定义为一种用来表示双方信息集的安全方式。Token 由头部 (header)、负载 (payload)、签名 (signature) 组成。

简单的说,JWT 只是形如下面格式的字符串:

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header.payload.signature

需要注意的是,双引号字符串也是合法的 JSON 对象

为了说明如何使用和为什么使用 JWT,我们将用一个简单的 3 实体示例(参见下图)。例子里的三个实体分别是用户(user)、应用服务器(application server)、认证服务器(authentication server)。认证服务器提供 JWT 给用户,然后用户可以安全的和应用通信。

应用使用 JWT 校验用户真实性的过程

在这个例子中,用户首先通过认证服务器提供的登录系统(例如:用户名和密码,Facebook 登录,Google 登录,等等)登录认证服务器。然后认证服务器生成 JWT 并返回给用户。当用户向应用服务器发起 API 请求时,会附带上 JWT。在这一步中,应用服务器会配置成去验证传入的 JWT 是否由认证服务器生成的(验证过程将在后面详细解释)。所以,当用户携带 JWT 发起 API 请求时,应用可以通过 JWT 来校验 API 请求是否来自认证的用户。

现在,我们将更加深入的研究 JWT 本身及其构建和验证的方式。

Step 1. 创建 HEADER

JWT 的头部(header)模块包含了如何计算 JWT 签名的信息。header 是个 JSON 对象,格式如下:

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

这个 JSON 中,”type” 字段的值指明这个对象是个 JWT,”alg” 字段的值说明用什么 hash 算法来生成 JWT 签名模块。例子中,我们使用的是 HMAC-SHA256 算法 —— 带有密钥的 hash 算法,来计算签名(在 step 3 详细说明)。

Step 2. 创建 PAYLOAD

JWT 的负载(payload)模块是存储在其中的数据(这个数据也被称为 JWT 的 “声明”)。在例子中,认证服务器生成 JWT,JWT 中保存了用户的信息,具体的说是用户 ID。

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{
"userId": "b08f86af-35da-48f2-8fab-cef3904660bd"
}

例子中,我们在 payload 中只保存了一个声明。你想要的话,也可以添加更多的声明。JWT 的 payload 有几种不同的标准声明,例如:“iss” 表示发行人, “sub” 表示主题, 以及 “exp” 表示过期时间。这些字段在创建 JWT 时非常有用,并且是可选的字段。可以在 wikipedia page 上查看详细的 JWT 标准 字段列表。

要记住,数据的大小会影响整个 JWT 的大小,整个一般不是问题,但是太大的 JWT 可能会对性能有负面影响并导致延迟。

Step 3. 创建 SIGNATURE

签名(signature)是有下面的伪代码计算得到的:

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// signature algorithm
data = base64urlEncode( header ) + “.” + base64urlEncode( payload )
hashedData = hash( data, secret )
signature = base64urlEncode( hashedData )

这个算法做的是:对步骤 1 和 2 生成的 header 和 payload 进行 base64url encodes 编码,然后把编码生成的字符串中间通过句号(.)连接起来。在伪代码中,把连接的字符串赋值给 data。通过 JWT header 中定义的 hash 算法,加上密钥对 data 字符串 hash 处理。把 hash 后的数据赋值给 hashedData。这个 hash 后的数据通过 base64url 编码生成 JWT 签名(signature)。

我们的例子中,header 和 payload 被 base64url 编码成:

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// header
eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9
// payload
eyJ1c2VySWQiOiJiMDhmODZhZi0zNWRhLTQ4ZjItOGZhYi1jZWYzOTA0NjYwYmQifQ

然后,将编译后的 header 和 payload 进行拼接,使用指定的签名算法和密钥对它计算,得到签名需要的 hash 后的数据。在我们例子中,也就是使用 HS256 算法,密钥为字符串 secret,对字符串 data 计算得到字符串 hashedData。然后,通过 base64url 对字符串 hashedData 编码得到下面的 JWT 签名(signature):

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// signature
-xN_h82PHVTCMA9vdoHrcZxH-x5mb11y1537t3rGzcM

Step 4. 将 JWT 三个模块合并

现在,我们已经创建了所有的三个模块,可以生成 JWT 了。记住 JWT 的结构 header.payload.signature,我们简单的使用句点(.)作为分隔来合并他们。我们使用 base64url 编码后的 header 和 payload,以及在 Step 3 得到的 signature:

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// JWT Token
eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJ1c2VySWQiOiJiMDhmODZhZi0zNWRhLTQ4ZjItOGZhYi1jZWYzOTA0NjYwYmQifQ.-xN_h82PHVTCMA9vdoHrcZxH-x5mb11y1537t3rGzcM

你可以使用 jwt.io 去创建你的 JWT。

回到我们的例子,现在认证服务器可以把这个 JWT 发送给用户。

JWT 是如何保护数据的

重要的是要理解,使用 JWT 的目的不是以任何方式隐藏或者模糊数据。使用 JWT 的目的是为了证明发送的数据是由可信的源创建的。

正如前面的步骤所示,JWT 里的数据被编码、签名,但是没有加密。编码数据的目的是为了转化数据的结构。签名数据是可以让数据接收者校验数据来源的可靠性。所以编码和签名数据并没有保护数据。而另一方面,加密的主要目的是保护数据和防止未授权访问。关于编码和加密的不同之处的详细解释,以及更多关于 hash 的原理,可以看 这篇文章

由于 JWT 只是签名和编码数据,没有加密,所有 JWT 不保证敏感数据的任何安全性。

Step 5. 校验 JWT

在我们的简单 3 实体实例中,我们使用的 JWT 是由 HS256 算法签名 —— 这个算法的密钥只有认证服务器和应用服务器知道。当应用服务器设置他的认证过程时,应用服务器从认证服务器那接收密钥。由于应用知道密钥,当用户向应用发起携带 JWT 的 API 请求时,应用可以执行和 Step 3 一样的签名算法。然后应用可以校验它自己 hash 操作生成的签名是否和 JWT 中的签名匹配(即它匹配认证服务器创建的 JWT 签名)。如果签名匹配,意味着 JWT 是合法的,标明 API 请求是来自可靠的来源。否则,如果签名不匹配,意味着接收的 JWT 是无效的,这也可能说明应用遭受潜在的攻击。所以,通过校验 JWT,应用在和用户之间建立了信任。

总结

我们了解了 JWT 是什么,如何创建和校验它,以及如何用它来建立应用和用户的信任。这是理解 JWT 的基本原理和它的作用的起点。JWT 只是确保应用中信任和安全性的难题之一。

需要指出的是,本文所述的 JWT 认证设置使用的是对称密钥算法(HS256)。你也可以用类似的方式来设置你的 JWT 认证,只是使用非对称算法(例如 RS256)—— 认证服务器有一个密钥,应用有一个公钥。关于使用对称和非对称算法的不同之处的详细分析,可以查看 这个 Stack Overflow 上的问题

同时要说明的是,JWT 必须通过 HTTPS 连接(不是 HTTP)来发送。使用 HTTPS 可以防止未授权用户窃取发送的 JWT,从而无法拦截服务端和用户之间的通信。

还有就是,给你的 JWT payload 设置有效期 —— 特别是很短的有效期,这个很重要,从而如果旧的 JWT 被泄漏,它可能已经无效并无法在使用了。

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