科普文：微服务之微服务改造【无状态token】JWT-token

一、什么是JWT

Json web token (JWT), 是为了在网络应用环境间传递声明而执行的一种基于JSON的开放标准（(RFC 7519).

该token被设计为紧凑且安全的，特别适用于分布式站点的单点登录（SSO）场景。

JWT的声明一般被用来在身份提供者和服务提供者间传递被认证的用户身份信息，以便于从资源服务器获取资源，也可以增加一些额外的其它业务逻辑所必须的声明信息，该token也可直接被用于认证，也可被加密。

二、JWT的组成

JWT标准的token包含三部分：

1.header(头部)，头部信息主要包括（参数的类型--JWT,签名的算法--HS256）
2.poyload(负荷)，负荷基本就是自己想要存放的信息(因为信息会暴露，不应该在载荷里面加入任何敏感的数据)，有两个形式，下边会讲到
3.sign(签名)，签名的作用就是为了防止恶意篡改数据

头部（Header）

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

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

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Header

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9

载荷（Payload）

Payload也是一个JSON对象。包含了一些其他的信息

{"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

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

eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0

注意：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。

签名（Sign）

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

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.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0.rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

为什么要使用签名?

签名解决了数据传输过程中参数被篡改的风险
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，如果有人对Header以及Payload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。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

三、前后端分离后的api接口安全问题

前后端分离架构带来的好处一搜一大堆，我们来看一下分离后后端接口的安全问题。
前后端分离架构现状：

前端：vue项目，Nginx部署
后端：node.js和java项目

这样的情况后端api是暴露在外网中，因为常规的web项目无论如何前端都是要通过公网访问到后台api的，带来的隐患也有很多。
1.接口公开，谁都可以访问
2.数据请求的参数在传输过程被篡改
3.接口被重复调用
...

session和cookie局限性

session和cookie都是客户端与服务端通讯需要提供的认证，当客户端的值和服务器的值吻合时，才允许请求api，解决了第1个问题，但是当攻击者获取到了传输过程中的session或者cookie值后，就可以进行第2、3种攻击了。

我们知道，http协议本身是一种无状态的协议，而这就意味着如果用户向我们的应用提供了用户名和密码来进行用户认证，那么下一次请求时，用户还要再一次进行用户认证才行，因为根据http协议，我们并不能知道是哪个用户发出的请求，所以为了让我们的应用能识别是哪个用户发出的请求，我们只能在服务器存储一份用户登录的信息，这份登录信息会在响应时传递给浏览器，告诉其保存为cookie,以便下次请求时发送给我们的应用，这样我们的应用就能识别请求来自哪个用户了,这就是传统的基于session认证。

但是这种基于session的认证使应用本身很难得到扩展，随着不同客户端用户的增加，独立的服务器已无法承载更多的用户，而这时候基于session认证应用的问题就会暴露出来。

基于session认证所显露的问题

Session: 每个用户经过我们的应用认证之后，我们的应用都要在服务端做一次记录，以方便用户下次请求的鉴别，通常而言session都是保存在内存中，而随着认证用户的增多，服务端的开销会明显增大。

扩展性: 用户认证之后，服务端做认证记录，如果认证的记录被保存在内存中的话，这意味着用户下次请求还必须要请求在这台服务器上,这样才能拿到授权的资源，这样在分布式的应用上，相应的限制了负载均衡器的能力。这也意味着限制了应用的扩展能力。

CSRF: 因为是基于cookie来进行用户识别的, cookie如果被截获，用户就会很容易受到跨站请求伪造的攻击。

基于JWT-token的鉴权机制

基于token的鉴权机制类似于http协议也是无状态的，它不需要在服务端去保留用户的认证信息或者会话信息。这就意味着基于token认证机制的应用不需要去考虑用户在哪一台服务器登录了，这就为应用的扩展提供了便利。

流程上是这样的：

用户使用用户名密码来请求服务器
服务器进行验证用户的信息
服务器通过验证发送给用户一个token
客户端存储token，并在每次请求时附送上这个token值
服务端验证token值，并返回数据

这个token必须要在每次请求时传递给服务端，它应该保存在请求头里，另外，服务端要支持CORS(跨来源资源共享)策略，一般我们在服务端这么做就可以了 Access-Control-Allow-Origin:*。

如何防范Replay Attacks

解决了篡改数据的问题，还有第3个问题，那就是攻击者不修改数据，只是重复攻击

所谓重复攻击就是攻击者发送一个后端服务器已接收过的包，来达到攻击系统的目的。

比如在浏览器端通过用户名/密码验证获得签名的Token被木马窃取。即使用户登出了系统，黑客还是可以利用窃取的Token模拟正常请求，而服务器端对此完全不知道，因为JWT机制是无状态的。

可以在Payload里增加时间戳并且前后端都参与来解决：

1.前端生成token时，在payload里增加当前时间戳
2.后端接收后，对解析出来的时间戳和当前时间进行判断，
3.如果相差特定时间内（比如2秒），允许请求否则判定为重复攻击

四、JWT-token的优点

支持跨域访问: Cookie是不允许垮域访问的，这一点对Token机制是不存在的，前提是传输的用户认证信息通过HTTP头传输。

无状态(也称：服务端可扩展行):Token机制在服务端不需要存储session信息，因为Token 自身包含了所有登录用户的信息，只需要在客户端的cookie或本地介质存储状态信息。

更适用CDN: 可以通过内容分发网络请求你服务端的所有资料（如：javascript，HTML,图片等），而你的服务端只要提供API即可。

去耦: 不需要绑定到一个特定的身份验证方案。Token可以在任何地方生成，只要在你的API被调用的时候，你可以进行Token生成调用即可。

更适用于移动应用: 当你的客户端是一个原生平台（iOS, Android，Windows 8等）时，Cookie是不被支持的（你需要通过Cookie容器进行处理），这时采用Token认证机制就会简单得多。

CSRF:因为不再依赖于Cookie，所以你就不需要考虑对CSRF（跨站请求伪造）的防范。

性能: 一次网络往返时间（通过数据库查询session信息）总比做一次HMACSHA256计算的Token验证和解析要费时得多。

不需要为登录页面做特殊处理: 如果你使用Protractor 做功能测试的时候，不再需要为登录页面做特殊处理。

基于标准化:你的API可以采用标准化的 JSON Web Token (JWT). 这个标准已经存在多个后端库（.NET, Ruby, Java,Python, PHP）和多家公司的支持（如：Firebase,Google, Microsoft）。

因为json的通用性，所以JWT是可以进行跨语言支持的，像JAVA,JavaScript,NodeJS,PHP等很多语言都可以使用。

因为有了payload部分，所以JWT可以在自身存储一些其他业务逻辑所必要的非敏感信息。

便于传输，jwt的构成非常简单，字节占用很小，所以它是非常便于传输的。

它不需要在服务端保存会话信息, 所以它易于应用的扩展。

五、JWT的JAVA实现

Java中对JWT的支持可以考虑使用JJWT开源库；JJWT实现了JWT, JWS, JWE 和 JWA RFC规范；

下面将简单举例说明其使用：

1、生成Token码

import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import javax.xml.bind.DatatypeConverter;
import java.security.Key;
import io.jsonwebtoken.*;
import java.util.Date;    //Sample method to construct a JWTprivate String createJWT(String id, String issuer, String subject, long ttlMillis) {//The JWT signature algorithm we will be using to sign the token
SignatureAlgorithm signatureAlgorithm = SignatureAlgorithm.HS256;long nowMillis = System.currentTimeMillis();
Date now = new Date(nowMillis);//We will sign our JWT with our ApiKey secret
byte[] apiKeySecretBytes = DatatypeConverter.parseBase64Binary(apiKey.getSecret());
Key signingKey = new SecretKeySpec(apiKeySecretBytes, signatureAlgorithm.getJcaName());//Let's set the JWT Claims
JwtBuilder builder = Jwts.builder().setId(id).setIssuedAt(now).setSubject(subject).setIssuer(issuer).signWith(signatureAlgorithm, signingKey);//if it has been specified, let's add the expiration
if (ttlMillis >= 0) {long expMillis = nowMillis + ttlMillis;Date exp = new Date(expMillis);builder.setExpiration(exp);
}//Builds the JWT and serializes it to a compact, URL-safe string
return builder.compact();
}

2、解码和验证Token码

import javax.xml.bind.DatatypeConverter;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.Claims;//Sample method to validate and read the JWT
private void parseJWT(String jwt) {
//This line will throw an exception if it is not a signed JWS (as expected)
Claims claims = Jwts.parser()        .setSigningKey(DatatypeConverter.parseBase64Binary(apiKey.getSecret())).parseClaimsJws(jwt).getBody();
System.out.println("ID: " + claims.getId());
System.out.println("Subject: " + claims.getSubject());
System.out.println("Issuer: " + claims.getIssuer());
System.out.println("Expiration: " + claims.getExpiration());
}

六、为什么很多人不建议用JWT-token

JSON Web Tokens - jwt.io

不建议使用JWT的原因主要包括其潜在的性能问题、‌安全性问题、‌以及在某些特定场景下的局限性。‌

JSON Web Token（JWT）作为一种轻量级的身份验证和授权机制，近年来在Web和移动应用中得到了广泛应用。

然而，尽管JWT具有许多优点，如可扩展性、跨平台兼容性以及无需在服务器存储会话信息等，但它也伴随着一系列潜在的问题和挑战，这也是为什么很多人不推荐在某些场景下使用JWT的原因。

一、JWT的缺点

令牌过期问题： JWT的令牌过期时间是固定的，一旦生成便无法更改。这意味着如果攻击者获取了有效的JWT令牌，他们可以在令牌过期之前持续使用该令牌访问受保护资源。此外，对于需要临时撤销权限的场景（如用户被降级为普通用户），JWT无法立即生效，必须等待令牌过期或更改密钥，这增加了安全风险。
令牌大小问题： JWT令牌通常比Session令牌大，因为它包含了更多的信息（如用户身份、权限等）。较大的令牌会增加网络传输的负担，尤其是在移动设备和带宽受限的环境中更为明显。此外，一些服务器可能不接受超过特定大小的HTTP头部，这限制了JWT在某些场景下的应用。
安全性问题： JWT的安全性依赖于其签名机制，但签名本身并不加密载荷（Payload）部分。这意味着如果JWT被拦截，攻击者可以读取其中的非敏感信息（如用户ID、角色等）。虽然敏感信息不应直接存储在JWT中，但这种设计仍然增加了信息泄露的风险。此外，如果签名密钥被泄露或设置不当（如硬编码在代码中），JWT的安全性将大打折扣。
无状态带来的挑战： JWT的无状态特性虽然减轻了服务器的负担，但也带来了挑战。由于JWT自身包含了所有必要的验证信息，服务器无法像使用Session那样轻松地跟踪和管理用户的会话状态。这可能导致在需要实现复杂会话管理逻辑（如会话固定攻击防护）时遇到困难。

二、不推荐使用JWT的场景

高并发系统：在高并发系统中，由于JWT令牌的大小问题，可能会增加网络传输的负担并影响系统性能。此外，频繁地生成和验证JWT也会增加服务器的计算压力。
需要频繁更改权限的场景：如果用户权限需要频繁更改（如基于角色的访问控制），JWT可能不是最佳选择。因为JWT令牌一旦生成便无法更改其内部信息，除非等待令牌过期或更改密钥。
对安全性要求极高的场景：虽然JWT提供了基于签名的安全性保障，但其载荷部分的不加密特性以及潜在的密钥泄露风险使得JWT在某些对安全性要求极高的场景下可能不适用。
跨域请求复杂或频繁的场景：虽然JWT可以跨域使用，但在跨域请求复杂或频繁的场景下，使用JWT可能会增加额外的配置和管理工作量。此外，跨域资源共享（CORS）策略也可能对JWT的使用造成限制。

三、结论

综上所述，尽管JWT具有许多优点并在许多场景下得到了广泛应用，但它也存在一些明显的缺点和挑战。

因此，在选择是否使用JWT时，需要根据具体的应用场景和需求进行权衡。

对于某些场景（如高并发系统、需要频繁更改权限的场景、对安全性要求极高的场景等），可能更适合使用传统的Session机制或其他身份验证和授权方案。

总之，技术选择应根据实际情况灵活调整以达到最佳效果。