JSON Web Tokens (JWT): 实现高效的身份验证机制

随着现代Web应用的发展，特别是在微服务架构和跨域访问场景中，传统的基于会话的状态管理机制（如Cookie和Session）已经不能很好地满足需求。JSON Web Tokens (JWT) 成为了解决这些问题的一种流行方案。本文将详细介绍JWT的基本概念、工作原理以及如何在实际项目中使用JWT进行身份验证。

什么是JWT？

JWT是一种开放标准（RFC 7519），用于在各方之间以安全的方式传输信息。JWT是一个自包含的令牌，其中包含了用户身份信息和其他自定义声明，被编码成一个紧凑的URL安全字符串。JWT的设计目的是用于身份验证和信息交换，它允许信息在不受信任的环境中以安全的方式传递。

JWT的结构

JWT由三个部分组成，分别用.连接：

1. 头部 (Header): 描述了令牌的类型和签名算法。
2. 载荷 (Payload): 包含了需要传递的信息。
3. 签名 (Signature): 用于验证信息的完整性和发送方的身份。

头部 (Header)

头部是一个包含类型（typ）和签名算法（alg）的JSON对象。例如：

1{
2  "typ": "JWT",
3  "alg": "HS256"
4}

载荷 (Payload)

载荷也是一个JSON对象，包含了声明（claims），例如：

1{
2  "sub": "1234567890",
3  "name": "John Doe",
4  "iat": 1516239022
5}

其中：

• sub 表示主题，通常是用户ID。
• name 表示用户名。
• iat 表示签发时间。

签名 (Signature)

签名部分是由头部、载荷和一个密钥通过指定的签名算法计算得出的。例如，使用HMAC SHA-256算法时，签名计算如下：

1Signature = HMACSHA256(
2  base64UrlEncode(header) + "." +
3  base64UrlEncode(payload),
4  secret
5)

JWT的工作原理

JWT的工作流程如下：

1. 用户登录:

   • 用户提交登录凭据。
   • 服务器验证凭据。
   • 如果验证成功，服务器会生成一个JWT，并将其发送回客户端。

2. 客户端存储令牌:

   • 客户端通常将JWT存储在浏览器的localStorage或sessionStorage中。

3. 客户端发送请求:

   • 客户端在每次向服务器发送请求时，都会将JWT附加在Authorization头部中。

4. 服务器验证令牌:

   • 服务器收到请求后，会验证JWT的有效性。
   • 如果验证成功，服务器会处理请求并返回相应的资源。

5. 令牌过期:

   • JWT可以设置一个过期时间，过期后将无法使用。

使用JWT进行身份验证

下面是一个简单的示例，展示了如何在Spring Boot项目中使用JWT进行身份验证。

创建JWT

import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;import java.util.Date;public class JwtUtil {public static final long EXPIRE = 1000 * 60 * 60 * 24; // 1天public static final String APP_SECRET = "your-secret-key"; // 生成一个安全的密钥public static String getJwToken(Long userId, String username) {return Jwts.builder().setHeaderParam("typ", "JWT").setHeaderParam("alg", "HS256").setSubject("sys_user").setIssuedAt(new Date()).setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + EXPIRE)).claim("userId", userId).claim("username", username).signWith(SignatureAlgorithm.HS256, APP_SECRET).compact();}
}

验证JWT

import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.Claims;public class JwtUtil {public static boolean checkToken(String jwtToken) {if (jwtToken == null || jwtToken.isEmpty()) return false;try {Jwts.parser().setSigningKey(APP_SECRET).parseClaimsJws(jwtToken);return true;} catch (Exception e) {return false;}}public static Claims getUserByJwtToken(String jwtToken) {return Jwts.parser().setSigningKey(APP_SECRET).parseClaimsJws(jwtToken).getBody();}public static Long getUserId(String token) {if (token == null || token.isEmpty()) return null;Claims claims = Jwts.parser().setSigningKey(APP_SECRET).parseClaimsJws(token).getBody();return (Long) claims.get("userId");}
}

安全密钥

为了确保JWT的安全性，我们使用io.jsonwebtoken.security.Keys类中的secretKeyFor(SignatureAlgorithm.HS256)方法来生成一个符合安全要求的密钥：

import io.jsonwebtoken.security.Keys;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;public class JwtUtil {public static final long EXPIRE = 1000 * 60 * 60 * 24; // 1天public static final Key APP_SECRET = Keys.secretKeyFor(SignatureAlgorithm.HS256); // 生成一个安全的密钥// ...
}