八幅漫畫理解使用 JWT 設(shè)計的單點登錄系統(tǒng)

JSON Web Token（JWT）是一個非常輕巧的規(guī)范。這個規(guī)范允許我們使用JWT在用戶和服務(wù)器之間傳遞安全可靠的信息。

讓我們來假想一下一個場景。在A用戶關(guān)注了B用戶的時候，系統(tǒng)發(fā)郵件給B用戶，并且附有一個鏈接“點此關(guān)注A用戶”。鏈接的地址可以是這樣的

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

上面的URL主要通過URL來描述這個當然這樣做有一個弊端，那就是要求用戶B用戶是一定要先登錄的?？刹豢梢院喕@個流程，讓B用戶不用登錄就可以完成這個操作。JWT就允許我們做到這點。

JWT的組成

一個JWT實際上就是一個字符串，它由三部分組成，頭部、載荷與簽名。

載荷（Payload）

我們先將上面的添加好友的操作描述成一個JSON對象。其中添加了一些其他的信息，幫助今后收到這個JWT的服務(wù)器理解這個JWT。

{
    "iss": "John Wu JWT",
    "iat": 1441593502,
    "exp": 1441594722,
    "aud": "www.example.com",
    "sub": "[email protected]",
    "from_user": "B",
    "target_user": "A"
}

這里面的前五個字段都是由JWT的標準所定義的。

• iss: 該JWT的簽發(fā)者
• sub: 該JWT所面向的用戶
• aud: 接收該JWT的一方
• exp(expires): 什么時候過期，這里是一個Unix時間戳
• iat(issued at): 在什么時候簽發(fā)的

這些定義都可以在標準中找到。

將上面的JSON對象進行[base64編碼]可以得到下面的字符串。這個字符串我們將它稱作JWT的Payload（載荷）。

eyJpc3MiOiJKb2huIFd1IEpXVCIsImlhdCI6MTQ0MTU5MzUwMiwiZXhwIjoxNDQxNTk0NzIyLCJhdW

如果你使用Node.js，可以用Node.js的包base64url來得到這個字符串。

小知識：Base64是一種編碼，也就是說，它是可以被翻譯回原來的樣子來的。它并不是一種加密過程。

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

頭部（Header）

JWT還需要一個頭部，頭部用于描述關(guān)于該JWT的最基本的信息，例如其類型以及簽名所用的算法等。這也可以被表示成一個JSON對象。

{
  "typ": "JWT",
  "alg": "HS256"
}

在這里，我們說明了這是一個JWT，并且我們所用的簽名算法（后面會提到）是HS256算法。

對它也要進行Base64編碼，之后的字符串就成了JWT的Header（頭部）。

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9

簽名（簽名）

將上面的兩個編碼后的字符串都用句號.連接在一起（頭部在前），就形成了

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0

這一部分的過程在node-jws的源碼中有體現(xiàn)

最后，我們將上面拼接完的字符串用HS256算法進行加密。在加密的時候，我們還需要提供一個密鑰（secret）。如果我們用mystar作為密鑰的話，那么就可以得到我們加密后的內(nèi)容

rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

這一部分又叫做簽名。

最后將這一部分簽名也拼接在被簽名的字符串后面，我們就得到了完整的JWT

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn

于是，我們就可以將郵件中的URL改成

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

這樣就可以安全地完成添加好友的操作了！

且慢，我們一定會有一些問題：

1. 簽名的目的是什么？
2. Base64是一種編碼，是可逆的，那么我的信息不就被暴露了嗎？

讓我逐一為你說明。

簽名的目的

最后一步簽名的過程，實際上是對頭部以及載荷內(nèi)容進行簽名。一般而言，加密算法對于不同的輸入產(chǎn)生的輸出總是不一樣的。對于兩個不同的輸入，產(chǎn)生同樣的輸出的概率極其地?。ㄓ锌赡鼙任页墒澜缡赘坏母怕蔬€?。?。所以，我們就把“不一樣的輸入產(chǎn)生不一樣的輸出”當做必然事件來看待吧。

所以，如果有人對頭部以及載荷的內(nèi)容解碼之后進行修改，再進行編碼的話，那么新的頭部和載荷的簽名和之前的簽名就將是不一樣的。而且，如果不知道服務(wù)器加密的時候用的密鑰的話，得出來的簽名也一定會是不一樣的。

服務(wù)器應(yīng)用在接受到JWT后，會首先對頭部和載荷的內(nèi)容用同一算法再次簽名。那么服務(wù)器應(yīng)用是怎么知道我們用的是哪一種算法呢？別忘了，我們在JWT的頭部中已經(jīng)用alg字段指明了我們的加密算法了。

如果服務(wù)器應(yīng)用對頭部和載荷再次以同樣方法簽名之后發(fā)現(xiàn)，自己計算出來的簽名和接受到的簽名不一樣，那么就說明這個Token的內(nèi)容被別人動過的，我們應(yīng)該拒絕這個Token，返回一個HTTP 401 Unauthorized響應(yīng)。

信息會暴露？

是的。

所以，在JWT中，不應(yīng)該在載荷里面加入任何敏感的數(shù)據(jù)。在上面的例子中，我們傳輸?shù)氖怯脩舻腢ser ID。這個值實際上不是什么敏感內(nèi)容，一般情況下被知道也是安全的。

但是像密碼這樣的內(nèi)容就不能被放在JWT中了。如果將用戶的密碼放在了JWT中，那么懷有惡意的第三方通過Base64解碼就能很快地知道你的密碼了。

JWT的適用場景

我們可以看到，JWT適合用于向Web應(yīng)用傳遞一些非敏感信息。例如在上面提到的完成加好友的操作，還有諸如下訂單的操作等等。

用戶認證八步走

所謂用戶認證（Authentication），就是讓用戶登錄，并且在接下來的一段時間內(nèi)讓用戶訪問網(wǎng)站時可以使用其賬戶，而不需要再次登錄的機制。

小知識：可別把用戶認證和用戶授權(quán)（Authorization）搞混了。用戶授權(quán)指的是規(guī)定并允許用戶使用自己的權(quán)限，例如發(fā)布帖子、管理站點等。

首先，服務(wù)器應(yīng)用（下面簡稱“應(yīng)用”）讓用戶通過Web表單將自己的用戶名和密碼發(fā)送到服務(wù)器的接口。這一過程一般是一個HTTP POST請求。建議的方式是通過SSL加密的傳輸（https協(xié)議），從而避免敏感信息被嗅探。

接下來，應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫核對用戶名和密碼。

核對用戶名和密碼成功后，應(yīng)用將用戶的id（圖中的user_id）作為JWT Payload的一個屬性，將其與頭部分別進行Base64編碼拼接后簽名，形成一個JWT。這里的JWT就是一個形同lll.zzz.xxx的字符串。

應(yīng)用將JWT字符串作為該請求Cookie的一部分返回給用戶。注意，在這里必須使用HttpOnly屬性來防止Cookie被JavaScript讀取，從而避免跨站腳本攻擊（XSS攻擊）。

在Cookie失效或者被刪除前，用戶每次訪問應(yīng)用，應(yīng)用都會接受到含有jwt的Cookie。從而應(yīng)用就可以將JWT從請求中提取出來。

應(yīng)用通過一系列任務(wù)檢查JWT的有效性。例如，檢查簽名是否正確；檢查Token是否過期；檢查Token的接收方是否是自己（可選）。

應(yīng)用在確認JWT有效之后，JWT進行Base64解碼（可能在上一步中已經(jīng)完成），然后在Payload中讀取用戶的id值，也就是user_id屬性。這里用戶的id為1025。

應(yīng)用從數(shù)據(jù)庫取到id為1025的用戶的信息，加載到內(nèi)存中，進行ORM之類的一系列底層邏輯初始化。

應(yīng)用根據(jù)用戶請求進行響應(yīng)。

和Session方式存儲id的差異

Session方式存儲用戶id的最大弊病在于要占用大量服務(wù)器內(nèi)存，對于較大型應(yīng)用而言可能還要保存許多的狀態(tài)。一般而言，大型應(yīng)用還需要借助一些KV數(shù)據(jù)庫和一系列緩存機制來實現(xiàn)Session的存儲。

而JWT方式將用戶狀態(tài)分散到了客戶端中，可以明顯減輕服務(wù)端的內(nèi)存壓力。除了用戶id之外，還可以存儲其他的和用戶相關(guān)的信息，例如該用戶是否是管理員、用戶所在的分桶（見[《你所應(yīng)該知道的A/B測試基礎(chǔ)》一文]( /2015/08/27/introduction-to-ab-testing/）等。

雖說JWT方式讓服務(wù)器有一些計算壓力（例如加密、編碼和解碼），但是這些壓力相比磁盤I/O而言或許是半斤八兩。具體是否采用，需要在不同場景下用數(shù)據(jù)說話。

單點登錄

Session方式來存儲用戶id，一開始用戶的Session只會存儲在一臺服務(wù)器上。對于有多個子域名的站點，每個子域名至少會對應(yīng)一臺不同的服務(wù)器，例如：

• www.taobao.com
• nv.taobao.com
• nz.taobao.com
• login.taobao.com

所以如果要實現(xiàn)在login.taobao.com登錄后，在其他的子域名下依然可以取到Session，這要求我們在多臺服務(wù)器上同步Session。

使用JWT的方式則沒有這個問題的存在，因為用戶的狀態(tài)已經(jīng)被傳送到了客戶端。因此，我們只需要將含有JWT的Cookie的domain設(shè)置為頂級域名即可，例如

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

注意domain必須設(shè)置為一個點加頂級域名，即.taobao.com。這樣，taobao.com和*.taobao.com就都可以接受到這個Cookie，并獲取JWT了。

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