教你玩轉JWT認證---從一個優惠券聊起
引言
最近面試過程中，無意中跟候選人聊到了JWT相關的東西，也就聯想到我自己關于JWT落地過的那些項目。
關于JWT，可以說是分布式系統下的一個利器，我在我的很多項目實踐中，認證系統的第一選擇都是JWT。它的優勢會讓你欲罷不能，就像你領優惠券一樣。
大家回憶一下一個場景，如果你和你的女朋友想吃某江家的烤魚了，你會怎么做呢？
傳統的時代，我想場景是這樣的：我們走進一家某江家餐廳，會被服務員引導一個桌子，然后我們開始點餐，服務原會記錄我們點餐信息，然后在送到后廚去。這個過程中，那個餐桌就相當于session，而我們的點餐信息回記錄到這個session之中，然后送到后廚。這個是一個典型的基于session的認證過程。但我們也發現了它的弊端，就是基于session的這種認證，對服務器強依賴，而且信息都是存儲在服務器之上，靈活性和擴展性大大降低。
而互聯網時代，大眾點評、美團、餓了么給了我們另一個選擇，我們可能第一時間會在這些平臺上搜索江邊城外的優惠券，這個優惠券中可能會描述著兩人實惠套餐明細。這張優惠券就是我們的 JWT，我們可以在任何一家有參與優惠活動的餐廳使用這張優惠券，而不必被限制在同一家餐廳。同時這張優惠券中直接記錄了我們的點餐明細，等我們到了餐廳，只需要將優惠券二維碼告知服務員，服務員就會給我們端上我們想要的食物。
好了，以上只是一個小例子，其實只是想說明一下JWT相較于傳統的基于session的認證框架的優勢。
JWT 的優勢在于它可以跨域、跨服務器使用，而 Session 則只能在本域名下使用。而且，JWT 不需要在服務端保存用戶的信息，只需要在客戶端保存即可，這減輕了服務端的負擔。這一點在分布式架構下優勢還是很明顯的。
什么是JWT
說了這么多，如何定義JWT呢？
JWT（JSON Web Token）是一種用于在網絡應用中進行身份驗證的開放標準（RFC7519）。它可以安全地在用戶和服務器之間傳輸信息，因為它使用數字簽名來驗證數據的完整性和真實性。
JWT包含三個部分：頭部、載荷和簽名。頭部包含算法和類型信息，載荷包含用戶的信息，簽名用于驗證數據的完整性和真實性。
額外說一下poload，也就是負荷部分，這塊是jwt的核心模塊，它內部包括一些聲明（claims）。聲明由三個類型組成：
Registered Claims：這是預定義的聲明名稱，主要包括以下幾種：
- iss：Token 發行者
- sub：Token 主題
- aud：Token的受眾
- exp：Token 過期時間
- iat：Token發行時間
- jti：Token唯一標識符
Public Claims：公共聲明是自己定義的聲明名稱，以避免沖突。
Private Claims：私有聲明與公共聲明類似，不同之處在于它是用于在雙方之間共享信息的。
當用戶登錄時，服務器將生成一個JWT，并將其作為響應返回給客戶端。客戶端將在后續的請求中發送此JWT。服務器將使用相同的密鑰驗證JWT的簽名，并從載荷中獲取用戶信息。如果簽名驗證通過并且用戶信息有效，則服務器將允許請求繼續進行。
JWT優點
JWT優點如果我們系統的總結一下， 如下：
- 跨語言和平臺：JWT是基于JSON標準的，因此可以在不同的編程語言和平臺之間進行交換和使用。無狀態：由于JWT包含所有必要的信息，服務器不需要在每個請求中存儲任何會話數據，因此可以輕松地進行負載均衡。
- 安全性：JWT使用數字簽名來驗證數據的完整性和真實性，因此可以防止數據被篡改或偽造。
- 可擴展性：JWT可以包含任何用戶信息，因此可以輕松地擴展到其他應用程序中。
- 一個基于JWT認證的方案
我將舉一個我實際業務落地的一個例子。
我的業務場景中一般都會有一個業務網關，該網關的核心功能就是鑒權和上線文轉換。用戶請求會將JWT字符串存與header之中，然后到網關后進行JWT解析，解析后的上下文信息，會轉變成明文K-V的方式在此存于header之中，供系統內部各個微服務之間互相調用時提供明文上下文信息。具體時序圖如下：
基于Spring security的JWT實踐
JWT原理很簡單，當然，你可以完全自己實現JWT的全流程，但是，實際中，我們一般不需要這么干，因為有很多成熟和好用的輪子提供給我們，而且封裝性和安全性也遠比自己匆忙的封裝一個簡單的JWT來的高。
如果是基于學習JWT，我是建議大家自己手寫一個demo的，但是如果重實踐的角度觸發，我們完全可以使用Spring Security提供的JWT組件，來高效快速的實現一個穩定性和安全性都非常高的JWT認證框架。
以下是我基于我的業務實際情況，根據保密性要求，簡化了的JWT實踐代碼。也算是拋磚引玉，希望可以給大家在業務場景中運用JWT做一個參考。
maven依賴
首先，我們需要添加以下依賴到pom.xml文件中：
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-security</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
<artifactId>jjwt</artifactId>
<version>0.9.1</version>
</dependency>JWT工具類封裝
然后，我們可以創建一個JwtTokenUtil類來生成和驗證JWT令牌：
import io.jsonwebtoken.Claims;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.security.core.userdetails.UserDetails;
import org.springframework.stereotype.Component;
import java.util.Date;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.function.Function;
@Component
public class JwtTokenUtil {
private static final long JWT_TOKEN_VALIDITY = 5 * 60 * 60;
@Value("${jwt.secret}")
private String secret;
public String generateToken(UserDetails userDetails) {
Map<String, Object> claims = newHashMap <>();
return createToken(claims, userDetails.getUsername());
}
private String createToken(Map<String, Object> claims, String subject) {
Date now = new Date();
Date expiration = new Date(now.getTime() + JWT_TOKEN_VALIDITY * 1000);
return Jwts.builder()
.setClaims(claims)
.setSubject(subject)
.setIssuedAt(now)
.setExpiration(expiration)
.signWith(SignatureAlgorithm.HS256, secret)
.compact();
}
public boolean validateToken(String token, UserDetails userDetails) {
final String username = extractUsername(token);
return (username.equals(userDetails.getUsername()) && !isTokenExpired(token));
}
private boolean isTokenExpired(String token) {
return extractExpiration(token).before(new Date());
}
public String extractUsername(String token) {
return extractClaim(token, Claims::getSubject);
}
public Date extractExpiration(String token) {
return extractClaim(token, Claims::getExpiration);
}
private <T> T extractClaim(String token, Function<Claims, T> claimsResolver) {
final Claims claims = extractAllClaims(token);
return claimsResolver.apply(claims);
}
private Claims extractAllClaims(String token) {
return Jwts.parser().setSigningKey(secret).parseClaimsJws(token).getBody();
}
}在這個實現中，我們使用了jjwt庫來創建和解析JWT令牌。我們定義了以下方法：
- generateToken：生成JWT令牌。
- createToken：創建JWT令牌。
- validateToken：驗證JWT令牌是否有效。
- isTokenExpired：檢查JWT令牌是否過期。
- extractUsername：從JWT令牌中提取用戶名。
- extractExpiration：從JWT令牌中提取過期時間。
- extractClaim：從JWT令牌中提取指定的聲明。
- extractAllClaims：從JWT令牌中提取所有聲明。
UserDetailsService類定義
接下來，我們可以創建一個自定義的UserDetailsService，用于驗證用戶登錄信息：
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.security.core.userdetails.User;
import org.springframework.security.core.userdetails.UserDetails;
import org.springframework.security.core.userdetails.UserDetailsService;
import org.springframework.security.core.userdetails.UsernameNotFoundException;
import org.springframework.stereotype.Service;
@Service
public class JwtUserDetailsService implements UserDetailsService {
@Autowired
private UserRepository userRepository;
@Override
public UserDetails loadUserByUsername(String username)
throws UsernameNotFoundException {
UserEntity user = userRepository.findByUsername(username);
if (user == null) {
throw new UsernameNotFoundException("User not found with username: " + username);
}
return new User(user.getUsername(), user.getPassword(),
new ArrayList<>());
}
}在這個實現中，我們使用了UserRepository來檢索用戶信息。我們實現了UserDetailsService接口，并覆蓋了loadUserByUsername方法，以便驗證用戶登錄信息。
JwtAuthenticationFilter定義
接下來，我們可以創建一個JwtAuthenticationFilter類，用于攔截登錄請求并生成JWT令牌：
import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;
import org.springframework.security.authentication.AuthenticationManager;
import org.springframework.security.authentication.UsernamePasswordAuthenticationToken;
import org.springframework.security.core.Authentication;
import org.springframework.security.core.AuthenticationException;
import org.springframework.security.web.authentication.UsernamePasswordAuthenticationFilter;
import javax.servlet.FilterChain;
import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.IOException;
import java.util.Collections;
import java.util.Date;
public class JwtAuthenticationFilter extends UsernamePasswordAuthenticationFilter {
private final AuthenticationManager authenticationManager;
private final JwtTokenUtil jwtTokenUtil;
public JwtAuthenticationFilter(AuthenticationManager authenticationManager, JwtTokenUtil jwtTokenUtil) {
this.authenticationManager = authenticationManager;
this.jwtTokenUtil = jwtTokenUtil;
}
@Override
public Authentication attemptAuthentication(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws AuthenticationException {
try {
LoginRequest loginRequest = new ObjectMapper().readValue(request.getInputStr eam(), LoginRequest.class);
return authenticationManager.authenticate(
new UsernamePasswordAuthenticationToken(loginRequest.getUsername(), loginRequest.getPassword(), Collections.emptyList())
);
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
@Override
protected void successfulAuthentication(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, FilterChain chain, Authentication authResult)throwsIOException,ServletException {
UserDetails userDetails = (UserDetails) authResult.getPrincipal();
String token = jwtTokenUtil.generateToken(userDetails);
response.addHeader("Authorization", "Bearer " + token);
}
private static class LoginRequest {
private String username;
private String password;
public String getUsername() {
return username;
}
public void setUsername(String username) {
this.username = username;
}
public String getPassword() {
return password;
}
public void setPassword(String password) {
this.password = password;
}
}
}在這個實現中，我們繼承了
UsernamePasswordAuthenticationFilter類，并覆蓋了attemptAuthentication和successfulAuthentication方法，以便在登錄成功時生成JWT令牌并將其添加到HTTP響應頭中。
Spring Security配置類
最后，我們可以創建一個Spring Security配置類，以便配置驗證和授權規則：
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.security.authentication.AuthenticationManager;
import org.springframework.security.config.annotation.authentication.builders.AuthenticationManagerBuilder;
import org.springframework.security.config.annotation.method.configuration.EnableGlobalMethodSecurity;
import org.springframework.security.config.annotation.web.builders.HttpSecurity;
import org.springframework.security.config.annotation.web.configuration.EnableWebSecurity;
import org.springframework.security.config.annotation.web.configuration.WebSecurityConfigurerAdapter;
import org.springframework.security.config.http.SessionCreationPolicy;
import org.springframework.security.crypto.bcrypt.BCryptPasswordEncoder;
import org.springframework.security.crypto.password.PasswordEncoder;
import org.springframework.security.web.authentication.UsernamePasswordAuthenticationFilter;
@Configuration
@EnableWebSecurity
@EnableGlobalMethodSecurity(prePostEnabled = true)
public class SecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {
@Autowired
private JwtUserDetailsService jwtUserDetailsService;
@Autowired
private JwtAuthenticationEntryPoint jwtAuthenticationEntryPoint;
@Autowired
private JwtTokenUtil jwtTokenUtil;
@Override
protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
http.csrf().disable()
.authorizeRequests().antMatchers("/authenticate").permitAll()
.anyRequest().authenticated().and()
.exceptionHandling().authenticationEntryPoint(jwtAuthenticationEntryPoint).and()
.sessionManagement().sessionCreationPolicy(SessionCreationPolicy.STATELESS);
http.addFilterBefore(newJwtAuthenticationFilter(authenticationManager(), jwtTokenUtil), UsernamePasswordAuthenticationFilter.class);
}
@Override
protected void configure(AuthenticationManagerBuilder auth) throws Exception {
auth.userDetailsService(jwtUserDetailsService).passwordEncoder(passwordEncoder());
}
@Override
@Bean
public AuthenticationManager authenticationManagerBean() throws Exception {
return super.authenticationManagerBean();
}
@Bean
public PasswordEncoder passwordEncoder() {
return new BCryptPasswordEncoder();
}
}在這個實現中，我們使用JwtUserDetailsService來驗證用戶登錄信息，并使用
JwtAuthenticationEntryPoint來處理驗證錯誤。
我們還配置了JwtAuthenticationFilter來生成JWT令牌，并將其添加到HTTP響應頭中。我們還定義了一個PasswordEncoderbean，用于加密用戶密碼。
調試接口驗證
現在，我們可以向/authenticate端點發送POST請求，以驗證用戶登錄信息并生成JWT令牌。例如：
bash
curl -X POST \
http://localhost:8080/authenticate \
-H 'Content-Type: application/json'\
-d '{
"username": "user",
"password": "password"
}'如果登錄信息驗證成功，將返回一個帶有JWT令牌的HTTP響應頭。我們可以使用這個令牌來訪問需要授權的端點。例如：
bash
curl -X GET \
http://localhost:8080/hello \
-H 'Authorization: Bearer eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ1c2VyIiwiaWF0IjoxNjI0MDM2NzA4LCJleHAiOjE2MjQwMzc1MDh9.9fZS7jPp0NzB0JyOo4y4jO4x3s3KjV7yW1nLzV7cO_c'在這個示例中，我們向/hello端點發送GET請求，并在HTTP頭中添加JWT令牌。如果令牌有效并且用戶有權訪問該端點，則返回一個成功的HTTP響應。
總結
JWT是一種簡單、安全和可擴展的身份驗證機制，適用于各種應用程序和場景。它可以減少服務器的負擔，提高應用程序的安全性，并且可以輕松地擴展到其他應用程序中。
但是JWT也有一定的缺點，比如他的payload模塊并沒有明確說明一定要加密傳輸，所以當你沒有額外做一些安全性措施的情況下，jwt一旦被別人截獲，很容易泄漏用戶信息。所以，如果要增加JWT的在實際項目中的安全性，安全加固措施必不可少，包括加密方式，秘鑰的保存，JWT的過期策略等等。
當然實際中的認證鑒權框架不止有JWT，JWT只是解決了用戶上下文傳輸的問題。實際項目中經常是JWT結合其他認證系統一同使用，比如OAuth2.0。這里篇幅有限，就不展開。以后有機會再單獨寫一篇關于OAuth2.0認證架構的文章。
作者：京東物流 趙勇萍
內容來源：京東云開發者社區
