JWT（JSON Web Token）

摘要：

在Web应用中，使用JWT替代session并不是个好主意
适合JWT的使用场景

抱歉，当了回标题党。我并不否认JWT的价值，只是它经常被误用。

什么是JWT

根据维基百科的定义，JSON WEB Token（JWT，读作 [/dʒɒt/]），是一种基于JSON的、用于在网络上声明某种主张的令牌（token）。JWT通常由三部分组成: 头信息（header）, 消息体（payload）和签名（signature）。

头信息指定了该JWT使用的签名算法:

header = '{"alg":"HS256","typ":"JWT"}'

HS256 表示使用了 HMAC-SHA256 来生成签名。

消息体包含了JWT的意图：

payload = '{"loggedInAs":"admin","iat":1422779638}'//iat表示令牌生成的时间

未签名的令牌由base64url编码的头信息和消息体拼接而成（使用"."分隔），签名则通过私有的key计算而成：

key = 'secretkey'

unsignedToken = encodeBase64(header) + '.' + encodeBase64(payload)

signature = HMAC-SHA256(key, unsignedToken)

最后在未签名的令牌尾部拼接上base64url编码的签名（同样使用"."分隔）就是JWT了：

token = encodeBase64(header) + '.' + encodeBase64(payload) + '.' + encodeBase64(signature) 

# token看起来像这样: eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJsb2dnZWRJbkFzIjoiYWRtaW4iLCJpYXQiOjE0MjI3Nzk2Mzh9.gzSraSYS8EXBxLN_oWnFSRgCzcmJmMjLiuyu5CSpyHI

JWT常常被用作保护服务端的资源（resource），客户端通常将JWT通过HTTP的Authorization header发送给服务端，服务端使用自己保存的key计算、验证签名以判断该JWT是否可信：

Authorization: Bearer eyJhbGci*...<snip>...*yu5CSpyHI

那怎么就误用了呢

近年来RESTful API开始风靡，使用HTTP header来传递认证令牌似乎变得理所应当，而单页应用（SPA）、前后端分离架构似乎正在促成越来越多的WEB应用放弃历史悠久的cookie-session认证机制，转而使用JWT来管理用户session。支持该方案的人认为：

1.该方案更易于水平扩展

在cookie-session方案中，cookie内仅包含一个session标识符，而诸如用户信息、授权列表等都保存在服务端的session中。如果把session中的认证信息都保存在JWT中，在服务端就没有session存在的必要了。当服务端水平扩展的时候，就不用处理session复制（session replication）/ session黏连（sticky session）或是引入外部session存储了。

从这个角度来说，这个优点确实存在，但实际上外部session存储方案已经非常成熟了（比如Redis），在一些Framework的帮助下（比如spring-session和hazelcast），session复制也并没有想象中的麻烦。所以除非你的应用访问量非常非常非常（此处省略N个非常）大，使用cookie-session配合外部session存储完全够用了。

2.该方案可防护CSRF攻击

跨站请求伪造Cross-site request forgery（简称CSRF, 读作 [sea-surf]）是一种典型的利用cookie-session漏洞的攻击，这里借用spring-security的一个例子来解释CSRF：

假设你经常使用bank.example.com进行网上转账，在你提交转账请求时bank.example.com的前端代码会提交一个HTTP请求:

POST /transfer HTTP/1.1

Host: bank.example.com

cookie: JsessionID=randomid; Domain=bank.example.com; Secure; HttpOnly

Content-Type: application/x-www-form-urlencoded

amount=100.00&routingNumber=1234&account=9876

你图方便没有登出bank.example.com，随后又访问了一个恶意网站，该网站的HTML页面包含了这样一个表单：

<form action="https://bank.example.com/transfer" method="post">

    <input type="hidden" name="amount" value="100.00"/>

    <input type="hidden" name="routingNumber" value="evilsRoutingNumber"/>

    <input type="hidden" name="account" value="evilsAccountNumber"/>

    <input type="submit" value="点击就送!"/>

</form>

你被“点击就送”吸引了，当你点了提交按钮时你已经向攻击者的账号转了100元。现实中的攻击可能更隐蔽，恶意网站的页面可能使用Javascript自动完成提交。尽管恶意网站没有办法盗取你的session cookie（从而假冒你的身份），但恶意网站向bank.example.com发起请求时，你的cookie会被自动发送过去。

因此，有些人认为前端代码将JWT通过HTTP header发送给服务端（而不是通过cookie自动发送）可以有效防护CSRF。在这种方案中，服务端代码在完成认证后，会在HTTP response的header中返回JWT，前端代码将该JWT存放到Local Storage里待用，或是服务端直接在cookie中保存HttpOnly=false的JWT。

在向服务端发起请求时，用Javascript取出JWT（否则前端Javascript代码无权从cookie中获取数据），再通过header发送回服务端通过认证。由于恶意网站的代码无法获取bank.example.com的cookie/Local Storage中的JWT，这种方式确实能防护CSRF，但将JWT保存在cookie/Local Storage中可能会给另一种攻击可乘之机，我们一会详细讨论它：跨站脚本攻击——XSS。

3.该方案更安全

由于JWT要求有一个秘钥，还有一个算法，生成的令牌看上去不可读，不少人误认为该令牌是被加密的。但实际上秘钥和算法是用来生成签名的，令牌本身不可读仅是因为base64url编码，可以直接解码，所以如果JWT中如果保存了敏感的信息，相对cookie-session将数据放在服务端来说，更不安全。

除了以上这些误解外，使用JWT管理session还有如下缺点：

更多的空间占用。如果将原存在服务端session中的各类信息都放在JWT中保存在客户端，可能造成JWT占用的空间变大，需要考虑cookie的空间限制等因素，如果放在Local Storage，则可能受到XSS攻击。
更不安全。这里是特指将JWT保存在Local Storage中，然后使用Javascript取出后作为HTTP header发送给服务端的方案。在Local Storage中保存敏感信息并不安全，容易受到跨站脚本攻击，跨站脚本（Cross site script，简称xss）是一种“HTML注入”，由于攻击的脚本多数时候是跨域的，所以称之为“跨域脚本”，这些脚本代码可以盗取cookie或是Local Storage中的数据。可以从这篇文章查看XSS攻击的原理解释。
无法作废已颁布的令牌。所有的认证信息都在JWT中，由于在服务端没有状态，即使你知道了某个JWT被盗取了，你也没有办法将其作废。在JWT过期之前（你绝对应该设置过期时间），你无能为力。
不易应对数据过期。与上一条类似，JWT有点类似缓存，由于无法作废已颁布的令牌，在其过期前，你只能忍受“过期”的数据。

看到这里后，你可能发现，将JWT保存在Local Storage中，并使用JWT来管理session并不是一个好主意，那有没有可能“正确”地使用JWT来管理session呢？比如：

不再使用Local Storage存储JWT，使用cookie，并且设置HttpOnly=true，这意味着只能由服务端保存以及通过自动回传的cookie取得JWT，以便防御XSS攻击
在JWT的内容中加入一个随机值作为CSRF令牌，由服务端将该CSRF令牌也保存在cookie中，但设置HttpOnly=false，这样前端Javascript代码就可以取得该CSRF令牌，并在请求API时作为HTTP header传回。服务端在认证时，从JWT中取出CSRF令牌与header中获得CSRF令牌比较，从而实现对CSRF攻击的防护
考虑到cookie的空间限制（大约4k左右），在JWT中尽可能只放“够用”的认证信息，其他信息放在数据库，需要时再获取，同时也解决之前提到的数据过期问题

这个方案看上去是挺不错的，恭喜你，你重新发明了cookie-session，可能实现还不一定有现有的好。

那究竟JWT可以用来做什么

我的同事做过一个形象的解释：

JWT（其实还有SAML）最适合的应用场景就是“开票”，或者“签字”。

在有纸化办公时代，多部门、多组织之间的协同工作往往会需要拿着A部门领导的“签字”或者“盖章”去B部门“使用”或者“访问”对应的资源，其实这种“领导签字／盖章”就是JWT，都是一种由具有一定权力的实体“签发”并“授权”的“票据”。一般的，这种票据具有可验证性（领导签名／盖章可以被验证，且难于模仿），不可篡改性（涂改过的文件不被接受，除非在涂改处再次签字确认）；并且这种票据一般都是“一次性”使用的，在访问到对应的资源后，该票据一般会被资源持有方收回留底，用于后续的审计、追溯等用途。

举两个例子：

员工李雷需要请假一天，于是填写请假申请单，李雷在获得其主管部门领导签字后，将请假单交给HR部门韩梅梅，韩梅梅确认领导签字无误后，将请假单收回，并在公司考勤表中做相应记录。

员工李雷和韩梅梅因工外出需要使用公司汽车一天，于是填写用车申请单，签字后李雷将申请单交给车队司机老王，乘坐老王驾驶的车辆外出办事，同时老王将用车申请单收回并存档。

在以上的两个例子中，“请假申请单”和“用车申请单”就是JWT中的payload，领导签字就是base64后的数字签名，领导是issuer，“HR部门的韩梅梅”和“司机老王”即为JWT的audience，audience需要验证领导签名是否合法，验证合法后根据payload中请求的资源给予相应的权限，同时将JWT收回。

放到系统集成的场景中，JWT更适合一次性操作的认证:

服务B你好, 服务A告诉我，我可以操作<JWT内容>, 这是我的凭证（即JWT）

在这里，服务A负责认证用户身份（相当于上例中领导批准请假），并颁布一个很短过期时间的JWT给浏览器（相当于上例中的请假单），浏览器（相当于上例中的请假员工）在向服务B的请求中带上该JWT，则服务B（相当于上例中的HR员工）可以通过验证该JWT来判断用户是否有权执行该操作。这样，服务B就成为一个安全的无状态的服务了。

总结

在Web应用中，别再把JWT当做session使用，绝大多数情况下，传统的cookie-session机制工作得更好
JWT适合一次性的命令认证，颁发一个有效期极短的JWT，即使暴露了危险也很小，由于每次操作都会生成新的JWT，因此也没必要保存JWT，真正实现无状态。

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