Java基于JWT的token认证

2019-07-30

一、背景引入

由于Http协议本身是无状态的，那么服务器是怎么识别两次请求是不是来自同一个客户端呢，传统用户识别是基于seeion和cookie实现的。大致流程如下：

用户向服务器发送用户名和密码请求用户进行校验，校验通过后创建session绘画，并将用户相关信息保存到session中服务器将sessionId回写到用户浏览器cookie中用户以后的请求，都会鞋带cookie发送到服务器服务器得到cookie中的sessionId，从session集合中找到该用户的session回话，识别用户

这种模式有很多缺点，对于分布式架构的支持以及扩展性不是很好。而且session是保存在内存中，单台服务器部署如果登陆用户过多占用服务器资源也多，做集群必须得实现session共享的话，集群数量又不易太多，否则服务器之间频繁同步session也会非常耗性能。当然也可以引入持久层，将session保存在数据库或者redis中，保存数据库的话效率不高，存redis效率高，但是对redis依赖太重，如果redis挂了，影响整个应用。还有一种办法就是不存服务器，而是把用户标识数据存在浏览器，浏览器每次请求都携带该数据，服务器做校验，这也是JWT的思想。

二、JWT介绍

2.1 概念介绍

Json Web Token（JWT）是目前比较流行的跨域认证解决方案，是一种基于JSON的开发标准，由于数据是可以经过签名加密的，比较安全可靠，一般用于前端和服务器之间传递信息，也可以用在移动端和后台传递认证信息。

2.2 组成结构

JWT就是一段字符串，格式如下：

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJhdWQiOiIxIn0.qfd0GelhE1aGr15LrnYlIZ_3UToaOM5HeMcXrmDG

由于三部分组成，之间用"."接。第一部分是头信息Header，中间部分是载荷Payload，最后部分是签名信息Signature。

头信息Header：描述JWT基本信息，typ表示采用JWT令牌，alg(algorithm)表示采用什么算法进行签名，常见算法有HmacSHA256（HS256）、HmacSHA384（HS384）、HmacSHA512（HS512）、SHA256withECDSA（ES256）、SHA256withRSA（RS256）、SHA512withRSA（RS512）等。如果采用HS256则头信息结构为：

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

载荷Payload：载荷（也可以叫载体）是具体的传输内容，包括一些标准属性，iss: 该JWT的签发者，exp: 过期时间戳，iat: 签发时间戳，jti: JWTID等等。也可以添加其他需要传递的内容数据。结构为：

{
 "iss": "kkk",
 "iat": 1548818203,
 "exp": 1548818212,
 "sub": "test.com
}

签名Signature：对头信息和载荷进行签名，保证传输过程中信息不被篡改，比如：将头信息和载荷分别进行base64加密得到字符串a和b，将字符串a和b以点相连并签名得到字符串c，将字符串a、b、c以点相连得到最终token。

2.3 验证流程

使用JWT的验证流程为：

用户提交用户名，密码到服务器后台后台验证通过，服务器端生成Token字符串，返回到客户端客户端保存Token，下一次请求资源时，附带上Token信息服务器端验证Token是否由服务器签发的（一般在拦截器中验证），若Token验证通过，则返回需要的资源

验证流程和基于session大体相同，只不过不是基于session，而是采用拦截器在代码中实验验证，返回给客户端的也不是sessionid，而是经过一定算法得出来的token字符串。

2.4 源码分析

JAVA中有封装好的开源哭JWT可以直接使用，下面就分析下关键代码验证以下内容。

Header头信息结构分析关键源码如下：

//token生成方法
public static void main(String[] args) {
 String token= JWT.create().withAudience("audience")
 .withIssuedAt(new Date())
 .withSubject("subject")
 .withExpiresAt(new Date()).withJWTId("jtiid")
 .sign(Algorithm.HMAC256(user.getPassword()));
}
public abstract class Algorithm {
 private final String name;
 private final String description;
 //...其他方法省略...
 public static Algorithm HMAC256(String secret) throws IllegalArgumentException {
 return new HMACAlgorithm("HS256", "HmacSHA256", secret);
 }
 //...其他方法省略...
}
class HMACAlgorithm extends Algorithm {
 private final CryptoHelper crypto;
 private final byte[] secret；
 //...其他方法省略...
HMACAlgorithm(String id, String algorithm, byte[] secretBytes)
throws IllegalArgumentException {
this(new CryptoHelper(), id, algorithm, secretBytes);
}
//...其他方法省略..
}
public String sign(Algorithm algorithm) throws IllegalArgumentException,
JWTCreationException {
 if (algorithm == null) {
 throw new IllegalArgumentException("The Algorithm cannot be null.");
} else {
 this.headerClaims.put("alg", algorithm.getName());
 this.headerClaims.put("typ", "JWT");
 String signingKeyId = algorithm.getSigningKeyId();
 if (signingKeyId != null) {
 this.withKeyId(signingKeyId);
}
public final class JWTCreator {
 private final Algorithm algorithm;
 private final String headerJson;
 private final String payloadJson;
 private JWTCreator(Algorithm algorithm,
 Map<String, Object> headerClaims,
 Map<String, Object> payloadClaims) throws JWTCreationException {
 this.algorithm = algorithm;
 try {
 ObjectMApper mapper = new ObjectMapper();
 SimpleModule module = new SimpleModule();
 module.addSerializer(ClaimsHolder.class, new PayloadSerializer());
 mapper.registerModule(module);
 mapper.configure(MapperFeature.SORT_PROPERTIES_ALPHABETICALLY, true);
 this.headerJson = mapper.writeValueAsString(headerClaims);
 this.payloadJson =
 mapper.writeValueAsString(new ClaimsHolder(payloadClaims));
 } catch (JsonProcessingException var6) {
 throw new JWTCreationException(
 "Some of the Claims couldn't be converted to a valid JSON format.",
 var6);
 }
}
//...其他方法省略...

headerClaims是一个Map，包括两个属性typ和alg，typ值固定JWT，alg传过来的签名算法这里使用的

HmacSHA256简称HS256。typ和alg组成Header头信息。

Payload载荷结构分析关键源码如下：

public abstract class JWT {
 public JWT() {
 }
 public static DecodedJWT decode(String token) throws JWTDecodeException {
 return new JWTDecoder(token);
 }
 public static Verification require(Algorithm algorithm) {
 return JWTVerifier.init(algorithm);
 }
 public static Builder create() {
 return JWTCreator.init();
 }
}
public static class Builder {
 private final Map<String, Object> payloadClaims = new HashMap();
 private Map<String, Object> headerClaims = new HashMap();
 Builder() {
 }
 public JWTCreator.Builder withHeader(Map<String, Object> headerClaims) {
 this.headerClaims = new HashMap(headerClaims);
 return this;
 }
 public JWTCreator.Builder withKeyId(String keyId) {
 this.headerClaims.put("kid", keyId);
 return this;
 }
 public JWTCreator.Builder withIssuer(String issuer) {
 this.addClaim("iss", issuer);//签发人
 return this;
 }
 public JWTCreator.Builder withSubject(String subject) {
 this.addClaim("sub", subject);//主题
 return this;
 }
 public JWTCreator.Builder withAudience(String... audience) {
 this.addClaim("aud", audience);//接受一方
 return this;
 }
 public JWTCreator.Builder withExpiresAt(Date expiresAt) {
 this.addClaim("exp", expiresAt);//过期时间
 return this;
 }
 public JWTCreator.Builder withNotBefore(Date notBefore) {
 this.addClaim("nbf", notBefore);//生效时间
 return this;
 }
 public JWTCreator.Builder withIssuedAt(Date issuedAt) {
 this.addClaim("iat", issuedAt);//签发时间
 return this;
 }
 public JWTCreator.Builder withJWTId(String jwtId) {
 this.addClaim("jti", jwtId);//编号
 return this;
 }
 public JWTCreator.Builder withClaim(String name, Boolean value)
 throws IllegalArgumentException {
 this.assertNonNull(name);
 this.addClaim(name, value);
 return this;
 }
 public JWTCreator.Builder withClaim(String name, Integer value)
 throws IllegalArgumentException {
 this.assertNonNull(name);
 this.addClaim(name, value);
 return this;
 }
 //...其他方法省略...
}

Payload是一个json对象，存放需要传递的数据，JTW默认规定了几个属性，如果需要添加其他属性可以调用其重载方法witchClaim()添加。

Signature签名部分源码如下：

private String sign() throws SignatureGenerationException {
 String header = Base64.encodeBase64URLSafeString(
 this.headerJson.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
 String payload = Base64.encodeBase64URLSafeString(
 this.payloadJson.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
 String content = String.format("%s.%s", header, payload);
 byte[] signatureBytes = this.algorithm.sign(
 content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
 String signature = Base64.encodeBase64URLSafeString(signatureBytes);
 return String.format("%s.%s", content, signature);
}

从这里可以看出，所谓token就是分别对header和payload的json字符串做Base64加密得到a和b，并将结果拼接一起，在进行签名得到c，最终把a、b、c三部分内容以点拼接起来形成token，返回客户端保存，客户端以后每次请求都在header中加入token，服务器采用拦截器方式获取header中的token做校验，识别用户。

三、示例

3.1 数据准备

创建用户表