秒懂JWT
JWT 英文名是 Json Web Token ，是一种用于通信双方之间传递安全信息的简洁的、URL安全的表述性声明规范，经常用在跨域身份验证。JWT 以 JSON 对象的形式安全传递信息。因为存在数字签名，因此所传递的信息是安全的。 在讲解 JWT 之前我们先来看一个问题。我们都知道 Internet 服务的身份验正过程是这样的，客户端向服务器发送登录名和登录密码，服务器验证后将对应的相关信息保存到当前会话中，这些信息包括权限、角色等数据，服务器向客户端返回 session ，session 信息都会写入到客户端的 Cookie 中，后面的请求都会从 Cookie 中读取 session 发送给服务器，服务器在收到 session 后会对比保存的数据来确认客户端身份。 但是上述模式存在一个问题，无法横向扩展。在服务器集群或者面向服务且跨域的结构中，需要数据库来保存 session 会话，实现服务器之间的会话数据共享。 在单点登录中我们会遇到上述问题，当有多个网站提供同一拨服务，那么我们该怎么实现在甲网站登陆后其他网站也同时登录呢？其中一种方法时持久化 session 数据，也就是上面所说的将 session 会话存到数据库中。这个方法的优点是架构清晰明了。但是缺点也非常明显，就是架构修改很困难，验证逻辑需要重修，并且整体依赖于数据库，如果存储 session 会话的数据库挂掉那么整个身份认证就无法使用，进而导致系统无法登录。要解决这个问题我们就用到了 JWT 。
零、JWT 简述
客户端身份经过服务器验证通过后，会生成带有签名的 JSON 对象并将它返回给客户端。客户端在收到这个 JSON 对象后存储起来。在以后的请求中客户端将 JSON 对象连同请求内容一起发送给服务器，服务器收到请求后通过 JSON 对象标识用户，如果验证不通过则不返回请求的数据。验证不通过的情况有很多，比如签名不正确、无权限等。在 JWT 中服务器不保存任何会话数据，使得服务器更加容易扩展。
一、Base64URL 算法
在讲解 JWT 的组成结构前我们先来讲解一下 Base64URL 算法。这个算法和 Base64 算法类似，但是有一点区别。我们通过名字可以得知这个算法使用于 URL 的，因此它将 Base64 中的 + 、 / 、 = 三个字符替换成了 - 、 _ ，删除掉了 = 。因为这个三个字符在 URL 中有特殊含义。
二、JWT 组成结构
JWT 是由三段字符串和两个 . 组成，每个字符串和字符串之间没有换行（类似于这样：xxxxxx.yyyyyy.zzzzzz），每个字符串代表了不同的功能，我们将这三个字符串的功能按顺序列出来并讲解：
1.JWT 头 JWT 头描述了 JWT 元数据，是一个 JSON 对象，它的格式如下：
{
"alg":"HS256",
"typ":"JWT"
}这里的 alg 属性表示签名所使用的算法，JWT 签名默认的算法为 HMAC SHA256 ， alg 属性值 HS256 就是 HMAC SHA256 算法。typ 属性表示令牌类型，这里就是 JWT。 2. 有效载荷 有效载荷是 JWT 的主体，同样也是个 JSON 对象。有效载荷包含三个部分：
- 标准注册声明 标准注册声明不是强制使用是的，但是我建议使用。它一般包括以下内容： iss：jwt的签发者/发行人； sub：主题； aud：接收方； exp：jwt过期时间； nbf：jwt生效时间； iat：签发时间 jti：jwt唯一身份标识，可以避免重放攻击
- 公共声明 可以在公共声明添加任何信息，我们一般会在里面添加用户信息和业务信息，但是不建议添加敏感信息，因为公共声明部分可以在客户端解密。
- 私有声明 私有声明是服务器和客户端共同定义的声明，同样这里不建议添加敏感信息。 下面这个代码段就是定义了一个有效载荷：
{
"exp":"201909181230",
"role":"admin",
"isShow":false
}2.哈希签名 哈希签名的算法主要是确保数据不会被篡改。它主要是对前面所讲的两个部分进行签名，通过 JWT 头定义的算法生成哈希。哈希签名的过程如下:
3.指定密码，密码保存在服务器中，不能向客户端公开；
4.使用 JWT 头指定的算法进行签名，进行签名前需要对 JWT 头和有效载荷进行 Base64URL 编码，JWT 头和邮箱载荷编码后的结果之间需要用 . 来连接。 简单示例如下：
HMACSHA256(base64UrlEncode(JWT 头) + "." + base64UrlEncode(有效载荷),密码)最终结果如下：
base64UrlEncode(JWT 头)+"."+base64UrlEncode(有效载荷)+"."+HMACSHA256(base64UrlEncode(JWT 头) + "." + base64UrlEncode(有效载荷),密码)三、JWT 注意事项
在使用 JWT 时需要注意以下事项：
- JWT 默认不加密，如果要写入敏感信息必须加密，可以用生成的原始令牌再次对内容进行加密；
- 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；
- JWT 包含认证信息，如果泄露了，任何人都可以获得令牌所有的权限；因此 JWT 有效期不能太长，对于重要操作每次请求都必须进行身份验证。
四、JWT 例子
- 自定义 JWT
- 定义 JWT 头
string jwtHeader = "{\"alg\":\"HS256\",\"typ\":\"JWT\"}";- 定义有效载荷
string exp = GetTimeStamp(DateTime.Now.AddHours(1));
string jwtHeader = "{\"name\":\"zhangsan\",\"exp\":\"" + exp + "\",\"jti\":\"123123\"}";- 加密 JWT 头和有效载荷
string jwtHeaderBase64Url = Base64Url(jwtHeader);
string jwtPlayloadBase64Url = Base64Url(jwtPlayload);- 生成哈希签名
string signature = HMACSHA256(jwtHeaderBase64Url + "." + jwtPlayloadBase64Url,"123123");- 按顺序链接三部分，最终形成jwt
string jwtStr = jwtHeaderBase64Url + "." + jwtPlayloadBase64Url + "." + signature;完整代码如下：
static void Main(string[] args)
{
string jwtHeader = "{\"alg\":\"HS256\",\"typ\":\"JWT\"}";
string exp = GetTimeStamp(DateTime.Now.AddHours(1));
string jwtPlayload = "{\"name\":\"zhangsan\",\"exp\":\"" + exp + "\",\"jti\":\"123123\"}";
string jwtHeaderBase64Url = Base64Url(jwtHeader);
string jwtPlayloadBase64Url = Base64Url(jwtPlayload);
string signature = HMACSHA256(jwtHeaderBase64Url + "." + jwtPlayloadBase64Url,"123123");
string jwtStr = jwtHeaderBase64Url + "." + jwtPlayloadBase64Url + "." + signature;
Console.WriteLine(jwtStr);
Console.ReadLine();
}
private static string HMACSHA256(string message, string key)
{
var encoding = new System.Text.UTF8Encoding();
byte[] keyByte = encoding.GetBytes(key);
byte[] messageBytes = encoding.GetBytes(message);
using (var hmacSHA256 = new HMACSHA256(keyByte))
{
byte[] hashMessage = hmacSHA256.ComputeHash(messageBytes);
return BitConverter.ToString(hashMessage).Replace("-", "").ToLower();
}
}
private static string Base64Url(string str)
{
byte[] encodedBytes = Encoding.UTF8.GetBytes(str);
string base64EncodedText = Convert.ToBase64String(encodedBytes);
base64EncodedText = base64EncodedText
.Replace("=", String.Empty)
.Replace('+', '-')
.Replace('/', '_');
return base64EncodedText;
}
private static string GetTimeStamp(DateTime dt)
{
DateTime startTime = TimeZone.CurrentTimeZone.ToLocalTime(new System.DateTime(1970, 1, 1, 0, 0, 0, 0));
DateTime nowTime = dt;
long unixTime =
(long)System.Math.Round((nowTime - startTime).TotalMilliseconds, MidpointRounding.AwayFromZero);
return unixTime.ToString();
}运行结果如下：
2. 使用 .NET JWT 包 上面的代码我们在造轮子，但是 NuGet 中已经有造好的轮子了。在 NuGet 中搜索 jwt 并安装。使用 jwt 包我们只需要自定义有效载荷和密码即可，可生成三段格式的字符串 jwt 生成代码如下：
static void Main(string[] args)
{
string exp = GetTimeStamp(DateTime.Now.AddHours(1));
var payload = new Dictionary<string, object>
{
{"name", "zhangsan"},
{"exp", exp},
{"jti", "123123"}
};
IJwtAlgorithm algorithm = new HMACSHA256Algorithm();
IJsonSerializer serializer = new JsonNetSerializer();
IBase64UrlEncoder urlEncoder = new JwtBase64UrlEncoder();
IJwtEncoder encoder = new JwtEncoder(algorithm, serializer, urlEncoder);
string jwtStr= encoder.Encode(payload, "123123");
Console.WriteLine(jwtStr);
Console.ReadLine();
}同样，我们可以利用 jwt 包对生成的 jwt 进行解密，代码如下：
IDateTimeProvider provider = new UtcDateTimeProvider();
IJwtValidator validator = new JwtValidator(serializer, provider);
IJsonSerializer serializer = new JsonNetSerializer();
IBase64UrlEncoder urlEncoder = new JwtBase64UrlEncoder();
IJwtDecoder decoder = new JwtDecoder(serializer, validator, urlEncoder);
var json = decoder.Decode(jwtStr, "123123", verify: true);上述代码在项目中可以直接拿来用，只需修改其中的有效载荷和密码。
五、总结
本篇首先讲解了 jwt 的相关知识，然后通过自定义的方式和调用 jwt 包的方式手动创建了 jwt 。文章所讲的内容大家一定要切记，这些知识在开发中至关重要，在最后再补充两个小知识：
- 客户端发送 jwt 发送给服务器时，最好把 jwt 放在HTTP请求的Header Authorization，格式是:Authorization: Bearer jwt。
- jwt 不仅仅可以实现身份认证还可以在跨域 post 请求时将请求参数加入到有效载荷中，实现 post 跨域请求。 知识在开发中至关重要，在最后再补充两个小知识：
- 客户端发送 jwt 发送给服务器时，最好把 jwt 放在HTTP请求的Header Authorization，格式是:Authorization: Bearer jwt。
- jwt 不仅仅可以实现身份认证还可以在跨域 post 请求时将请求参数加入到有效载荷中，实现 post 跨域请求。
腾讯云开发者
