JSON Web Token单点登录系统JWT原理

概述


JSON Web TokenJWT)是一个非常轻巧的规范。这个规范允许我们使用JWT在用户和服务器之间传递安全可靠的信息。

让我们来假想一下一个场景。在A用户关注了B用户的时候,系统发邮件给B用户,并且附有一个链接“点此关注A用户”。链接的地址可以是这样的

https://your.awesome-app.com/make-friend/?from_user=B&target_user=A

上面的URL主要通过URL来描述这个当然这样做有一个弊端,那就是要求用户B用户是一定要先登录的。可不可以简化这个流程,让B用户不用登录就可以完成这个操作。JWT就允许我们做到这点。

JWT的组成


一个JWT实际上就是一个字符串,它由三部分组成,头部、载荷与签名。

载荷(Payload)


我们先将上面的添加好友的操作描述成一个JSON对象。其中添加了一些其他的信息,帮助今后收到这个JWT的服务器理解这个JWT。

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

这里面的前五个字段都是由JWT的标准所定义的。

  • iss: 该JWT的签发者
  • sub: 该JWT所面向的用户
  • aud: 接收该JWT的一方
  • exp(expires): 什么时候过期,这里是一个Unix时间戳
  • iat(issued at): 在什么时候签发的

这些定义都可以在标准中找到。

将上面的JSON对象进行[base64编码]可以得到下面的字符串。这个字符串我们将它称作JWT的Payload(载荷)。

eyJpc3MiOiJKb2huIFd1IEpXVCIsImlhdCI6MTQ0MTU5MzUwMiwiZXhwIjoxNDQxNTk0NzIyLCJhdW

如果你使用Node.js,可以用Node.js的包base64url来得到这个字符串。

小知识:Base64是一种编码,也就是说,它是可以被翻译回原来的样子来的。它并不是一种加密过程。

var base64url = require('base64url')
var header = {
    "from_user": "B",
    "target_user": "A"
}
console.log(base64url(JSON.stringify(header)))
// 输出:eyJpc3MiOiJKb2huIFd1IEpXVCIsImlhdCI6MTQ0MTU5MzUwMiwiZXhwIjoxNDQxNTk0NzIyLCJhdWQiOiJ3d3cuZXhhbXBsZS5jb20iLCJzdWIiOiJqcm9ja2V0QGV4YW1wbGUuY29tIiwiZnJvbV91c2VyIjoiQiIsInRhcmdldF91c2VyIjoiQSJ9

头部(Header)


JWT还需要一个头部,头部用于描述关于该JWT的最基本的信息,例如其类型以及签名所用的算法等。这也可以被表示成一个JSON对象。

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

在这里,我们说明了这是一个JWT,并且我们所用的签名算法(后面会提到)是HS256算法。

对它也要进行Base64编码,之后的字符串就成了JWT的Header(头部)。

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9

签名(签名)


将上面的两个编码后的字符串都用句号.连接在一起(头部在前),就形成了

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0

这一部分的过程在node-jws的源码中有体现

最后,我们将上面拼接完的字符串用HS256算法进行加密。在加密的时候,我们还需要提供一个密钥(secret)。如果我们用mystar作为密钥的话,那么就可以得到我们加密后的内容

rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

这一部分又叫做签名。

最后将这一部分签名也拼接在被签名的字符串后面,我们就得到了完整的JWT

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn

于是,我们就可以将邮件中的URL改成

https://your.awesome-app.com/make-friend/?jwt=eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJm

这样就可以安全地完成添加好友的操作了!

且慢,我们一定会有一些问题:

  1. 签名的目的是什么?
  2. Base64是一种编码,是可逆的,那么我的信息不就被暴露了吗?
    让我逐一为你说明。

签名的目的


最后一步签名的过程,实际上是对头部以及载荷内容进行签名。一般而言,加密算法对于不同的输入产生的输出总是不一样的。对于两个不同的输入,产生同样的输出的概率极其地小(有可能比我成世界首富的概率还小)。所以,我们就把“不一样的输入产生不一样的输出”当做必然事件来看待吧。

所以,如果有人对头部以及载荷的内容解码之后进行修改,再进行编码的话,那么新的头部和载荷的签名和之前的签名就将是不一样的。而且,如果不知道服务器加密的时候用的密钥的话,得出来的签名也一定会是不一样的。

服务器应用在接受到JWT后,会首先对头部和载荷的内容用同一算法再次签名。那么服务器应用是怎么知道我们用的是哪一种算法呢?别忘了,我们在JWT的头部中已经用alg字段指明了我们的加密算法了。

如果服务器应用对头部和载荷再次以同样方法签名之后发现,自己计算出来的签名和接受到的签名不一样,那么就说明这个Token的内容被别人动过的,我们应该拒绝这个Token,返回一个HTTP 401 Unauthorized响应。

信息会暴露?


是的。

所以,在JWT中,不应该在载荷里面加入任何敏感的数据。在上面的例子中,我们传输的是用户的User ID。这个值实际上不是什么敏感内容,一般情况下被知道也是安全的。

但是像密码这样的内容就不能被放在JWT中了。如果将用户的密码放在了JWT中,那么怀有恶意的第三方通过Base64解码就能很快地知道你的密码了。

JWT的适用场景


我们可以看到,JWT适合用于向Web应用传递一些非敏感信息。例如在上面提到的完成加好友的操作,还有诸如下订单的操作等等。

用户认证八步走


所谓用户认证(Authentication),就是让用户登录,并且在接下来的一段时间内让用户访问网站时可以使用其账户,而不需要再次登录的机制。

小知识:可别把用户认证和用户授权(Authorization)搞混了。用户授权指的是规定并允许用户使用自己的权限,例如发布帖子、管理站点等。

首先,服务器应用(下面简称“应用”)让用户通过Web表单将自己的用户名和密码发送到服务器的接口。这一过程一般是一个HTTP POST请求。建议的方式是通过SSL加密的传输(https协议),从而避免敏感信息被嗅探。

接下来,应用和数据库核对用户名和密码。

核对用户名和密码成功后,应用将用户的id(图中的user_id)作为JWT Payload的一个属性,将其与头部分别进行Base64编码拼接后签名,形成一个JWT。这里的JWT就是一个形同lll.zzz.xxx的字符串。

应用将JWT字符串作为该请求Cookie的一部分返回给用户。注意,在这里必须使用HttpOnly属性来防止Cookie被JavaScript读取,从而避免跨站脚本攻击(XSS攻击)。

在Cookie失效或者被删除前,用户每次访问应用,应用都会接受到含有jwt的Cookie。从而应用就可以将JWT从请求中提取出来。

应用通过一系列任务检查JWT的有效性。例如,检查签名是否正确;检查Token是否过期;检查Token的接收方是否是自己(可选)。

应用在确认JWT有效之后,JWT进行Base64解码(可能在上一步中已经完成),然后在Payload中读取用户的id值,也就是user_id属性。这里用户的id为1025。

应用从数据库取到id为1025的用户的信息,加载到内存中,进行ORM之类的一系列底层逻辑初始化。

应用根据用户请求进行响应。

和Session方式存储id的差异


Session方式存储用户id的最大弊病在于要占用大量服务器内存,对于较大型应用而言可能还要保存许多的状态。一般而言,大型应用还需要借助一些KV数据库和一系列缓存机制来实现Session的存储。

而JWT方式将用户状态分散到了客户端中,可以明显减轻服务端的内存压力。除了用户id之外,还可以存储其他的和用户相关的信息,例如该用户是否是管理员、用户所在的分桶(见[《你所应该知道的A/B测试基础》一文]( /2015/08/27/introduction-to-ab-testing/)等。

虽说JWT方式让服务器有一些计算压力(例如加密、编码和解码),但是这些压力相比磁盘I/O而言或许是半斤八两。具体是否采用,需要在不同场景下用数据说话。

单点登录


Session方式来存储用户id,一开始用户的Session只会存储在一台服务器上。对于有多个子域名的站点,每个子域名至少会对应一台不同的服务器,例如:

  • www.taobao.com
  • nv.taobao.com
  • nz.taobao.com
  • login.taobao.com
    所以如果要实现在login.taobao.com登录后,在其他的子域名下依然可以取到Session,这要求我们在多台服务器上同步Session。

使用JWT的方式则没有这个问题的存在,因为用户的状态已经被传送到了客户端。因此,我们只需要将含有JWT的Cookie的domain设置为顶级域名即可,例如

Set-Cookie: jwt=lll.zzz.xxx; HttpOnly; max-age=980000; domain=.taobao.com

注意domain必须设置为一个点加顶级域名,即.taobao.com。这样,taobao.com和*.taobao.com就都可以接受到这个Cookie,并获取JWT了。

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