Java - JWT的和使用

前言

目前自己在做一个云直播个人项目，后端架构是微服务，目前准备用JWT来做Token的校验。借此机会来复习和学习一遍JWT的相关知识。

一. JWT 基础知识

JWT的全称是JSON Web Tokens，主要是服务器认证相关信息之后，生成一种JSON数据，并通过一种算法（例如HMAC）对其进行安全的签名加密。主要用于两个用途：

• 数据交换：因为JWT使用JSON来存储相关数据，而JSON这一种数据格式可以在各方之间传递。
• 安全验证：登录之后，后续的请求可以携带JWT，只有携带了JWT（认证Token）的请求才能够正常地访问到相关的数据及资源。

一般我们在开发过程中，凡是涉及到用户登录的，我们就需要去考虑用什么去存储用户登录的一个状态，本文只说两种：

• session（基于cookie的实现）：只不过session相关的数据存储于服务器。
• JWT：一旦生成，一般就抛给客户端去保存。客户端只需要每次携带这个Token就可以正常地访问接口。

1.1 session 案例测试

我们来写一个简单的案例：pom依赖：

<parent>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
    <version>2.3.2.RELEASE</version>
</parent>
<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

Controller代码：

@RestController
public class UserController {
    @GetMapping("/login")
    public String login(HttpServletRequest request) {
        request.getSession().setAttribute("user", "Ljj");
        return "Login Success";
    }

	@GetMapping("/getUser")
    public String getUser(HttpServletRequest request) {
        String user = (String) request.getSession().getAttribute("user");
        return user;
    }
}

那么我们项目启动之后，访问以下路径：http://localhost:8080/login，就能发现当前客户端会多出一个名为JSESSIONID的Cookie：

之后我们的每一次请求，都会自动携带上这个cookie去访问服务端：

如果我们采取session来存储用户信息，那么大致流程就是如下：

1. 用户登录成功，那么我们就request.getSession().setAttribute("user" userId, "用户信息")。
2. 此时服务端就会写入一个session来保存相关的数据（基于cookie实现）。因此客户端能看到一个名为JSESSIONID的Cookie。
3. 后续的相关请求，都会自动携带这个Cookie，后端就可以取到这个用户信息了。

但是，采用session这种方式，是以本地缓存来存储相关的数据的，当有100个用户进行登录的时候，就需要在本地缓存存储100个信息。因此会给服务器带来一定的内存压力。

相关的数据存储于StandardSession.attributes字段中：

public class StandardSession implements HttpSession, Session, Serializable {
	protected ConcurrentMap<String, Object> attributes = new ConcurrentHashMap<>();
}

因此现在主流的都是使用JWT来代替传统的session存储方案。

1.2 JWT 结构

JWT如上文所说，他是一个JSON串，但是它有着自己的特定结构：

Header.Payload.Signature

Header和Payload部分都是一个base64编码串，三个结构之间通过 ” . “ 进行连接。

1.2.1 Header

Header头部，通常有两个部分组成：

• alg：表示签名的算法类型，比如HMAC SHA256 或者 RSA。
• typ：代表这个token令牌的类型，比如JWT。

案例如下：

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

最后这个JSON串会通过Base64Url进行编码，然后作为JWT的第一部分。

1.2.2 Payload

JWT的第二部分就是这个Payload了，它的中文含义叫做：有效载荷。相当于我们HTTP请求的一个请求体了。一般用来存储我们实际要传递的数据。例如：

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

Payload本身还规定了几个属性，同时它可以分为三种类型：

标准注册声明：

• iss (issuer)：签发人。
• exp (expiration time)：过期时间。
• sub (subject)：主题。
• aud (audience)：接收方。
• nbf (not before)：生效时间。
• iat (issued at)：签发时间。
• jti (jwt id)：编号。

---

公共声明： 一般用于我们自己定义一些业务属性。

---

私有声明： 服务器和客户端共同定义的声明

这一部分的内容可见比较丰富，因为我们可以将自定义的属性塞进去，但是有一点我们需要格外地注意：Payload部分不建议添加敏感信息，例如密码、身份证等信息。因为Payload这一部分最终也是经过Base64Url进行编码，然后作为JWT的第二部分暴露给客户端。因此这个是可以被解码的。

1.2.3 Signature ☆

上面的两个JWT组成部分：Header和Payload，我们知道它是由Base64Url进行编码的，那么自然而然的它就可以被解码。那么JWT的安全性谈何而来？这就得看最后一个部分Signature签名了。他的作用一句话概括就是：对前两部分的内容进行算法签名，防止数据篡改。

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

这个代码是啥意思呢？

1. 拿到经过Base64编码的Header和Payload部分。以及我们自己提供的一个秘钥secret。
2. 使用Header中指定的签名算法：HMAC SHA256 进行签名。

签名的目的：

1. 如果有人对头部以负载内容进行解码，然后篡改相关信息，在进行base64编码重新组合一个新的JWT。
2. 那么这个JWT传输给服务器后，服务器能够判断，新的头部和新的负载内容形成的签名和原有的不一致。
3. 那么此时就能够判断这个JWT是不合法的。因为外部使用者无法得知你进行签名时的秘钥是什么。 因此通过修改JWT算出来签名是不一样的。

那么最后再来说下JWT的特点：

• JWT的两个组成部分虽然是经过base64编码的，因此他可以被解码。但是JWT本身是可以被加密的。这样就更加安全。
• JWT生成之后，不必存储在服务器端，就没有使用session存储那样，有着内存压力。
• JWT 无法使服务器保存会话状态，当令牌生成后在有效期内无法取消也不能更改。
• 安全：因为Token不是Cookie。我们只需要每次请求的时候携带Token即可。由于没有Cookie被发送，还有助于防止CSRF攻击。
• 不要再JWT中存储一些敏感信息，一般都是存储userId。

二. JWT 简单使用

首先准备pom依赖：

<dependency>
    <groupId>junit</groupId>
    <artifactId>junit</artifactId>
    <scope>test</scope>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>com.auth0</groupId>
    <artifactId>java-jwt</artifactId>
    <version>3.19.1</version>
</dependency>

2.1 生成JWT

public class JwtTest {
    // 秘钥，你可以随便取，可以取的难一点
    public static final String SECRET = "ASD!@#F^%A";

    @Test
    public void testTokenCreate() {
        HashMap<String, Object> headers = new HashMap<>();
        // 过期时间，60s
        Calendar expires = Calendar.getInstance();
        expires.add(Calendar.SECOND, 600);

        String jwtToken = JWT.create()
                // 第一部分Header
                .withHeader(headers)
                // 第二部分Payload
                .withClaim("userId", 20)
                .withClaim("userName", "LJJ")
                .withExpiresAt(expires.getTime())
                // 第三部分Signature
                .sign(Algorithm.HMAC256(SECRET));
        System.out.println(jwtToken);
    }
}

结果如下：看红圈的两个"."符号，可见JWT的格式和第一章节描述的相吻合。

那么拿到令牌了，我们接下来就是根据令牌去解析数据。

2.2 解析JWT

注意：这里你要把2.1节生成的token自己复制一下，贴到代码里面。

@Test
public void testReadJWT() {
    // 创建一个验证的对象
    JWTVerifier jwtVerifier = JWT.require(Algorithm.HMAC256(SECRET)).build();
    DecodedJWT verify = jwtVerifier.verify("eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJ1c2VyTmFtZSI6IkxKSiIsImV4cCI6MTY2NzcyMTMzMiwidXNlcklkIjoyMH0.AJA88B0F-zKEJUCIGp9kSx2TlbpoyH88GzEn-9xN5XI");
    System.out.println(verify.getClaim("userId").asInt());
    System.out.println(verify.getClaim("userName").asString());
    System.out.println("过期时间："   verify.getExpiresAt());
}

结果如下：

2.3 常见的异常

这里贴出4个常见的异常，如果JWT校验不通过，就会抛出异常：

• SignatureVerificationException：签名不一致。
• TokenExpiredException：令牌过期。
• AlgorithmMismatchException：算法不匹配异常。
• InvalidClaimException：失效的Payload异常。一般存在于这种情况：获取token的服务器比使用token的服务器时钟快，请求分发到时间慢的服务器上导致token还没生效。

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