详解Java token主流框架之JWT
作者：蜀山剑客李沐白 发布时间：2022-03-30 19:30:34
1. JWT的概念和特点
JWT是一种轻量级、可扩展、可自包含的身份验证和授权机制。它是由三个部分组成：头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature）。它的目的是为了在网络应用间传递声明信息，以便在某些情况下对用户进行身份验证和授权。
JWT有以下几个特点：
简洁（Compact）：JWT是一个紧凑且自包含的数据格式，它可以通过HTTP头或URL参数进行传输。
自包含（Self-contained）：JWT包含了足够的信息，使得客户端可以判断是否信任该令牌，而不需要查询服务器。
可扩展（Extensible）：由于JWT是基于JSON格式的，因此可以自定义Payload中的属性来适应各种业务需求。
安全（Secure）：JWT使用签名来验证发送方和接收方之间的身份。当使用加密算法时，还可以确保消息的机密性。
2. JWT的三个部分：Header、Payload和Signature
JWT由三个部分组成：头部、载荷和签名。
Header
JWT头部是一个JSON对象，它描述了生成和处理该JWT所需要的算法和类型信息。例如：
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}
其中，"alg"表示签名算法，"typ"表示令牌类型。
Payload
JWT载荷是一个JSON对象，它包含了有关令牌和声明的信息。例如：
{
"sub": "1234567890",
"name": "John Doe",
"iat": 1516239022
}
其中，"sub"表示主题（Subject），"name"表示名称，"iat"表示令牌的发行时间（Issued At）。
除了这些声明外，JWT还支持自定义声明。例如：
{
"iss": "http://example.com",
"exp": 1516239922,
"custom_key": "custom_value"
}
其中，"iss"表示颁发者（Issuer），"exp"表示到期时间（Expiration Time），"custom_key"是自定义声明。
Signature
JWT签名用于验证消息的发送方和消息的完整性。签名由头部、载荷和密钥组成，并使用指定的算法进行计算。例如，使用HS256算法可以使用以下方法生成签名：
HMACSHA256(
base64UrlEncode(header) + "." +
base64UrlEncode(payload),
secret)
其中，"."是分隔符，"secret"是密钥。
3. JWT的工作过程
JWT的工作流程可以描述为以下三个步骤：
用户通过用户名和密码进行身份验证。
服务器对用户进行身份验证，并创建一个JWT令牌，并将其返回给客户端。
客户端在以后的请求中使用该令牌进行身份验证，并在需要访问API时将其发送到服务器。
具体的工作过程如下：
当用户成功登录到Web应用程序时，服务器将根据用户提供的凭据（例如用户名和密码）验证用户的身份，并创建一个JWT令牌。
服务器将从Payload中提取一些信息（例如用户ID或名称）并将其加密到JWT令牌中。
JWT令牌将被加密，并在响应头或URL参数中返回给客户端。
在以后的请求中，客户端将JWT令牌作为授权标头或URL参数发送给服务器。
服务器将使用该令牌进行身份验证，并检查令牌是否被篡改或过期。如果令牌有效，则允许访问所需的API。
4. JWT常见的应用场景和优势
JWT主要应用于Web应用程序和RESTful API，以下是它的一些常见应用场景：
身份验证（Authentication）：JWT可以作为身份验证机制，代替传统的Cookie和Session方式。
前后端分离（Front and Backend Separation）：在前后端分离的架构中，JWT可以在前端和后端之间进行信任关系的建立和维护。
单点登录（Single Sign On）：在多个Web应用程序中共享JWT，可以实现单点登录的效果。
信息交换（Information Exchange）：JWT可以用于安全地在不同的系统之间传递信息。
JWT的优势包括：
无状态（Stateless）: JWT不需要在服务器上保存用户状态和会话信息，从而简化了服务器的负载和扩展性。
可扩展（Extensible）：JWT的载荷可以包含自定义声明，从而满足各种业务场景的需求。
安全（Secure）：JWT使用签名来验证发送方和接收方之间的身份。当使用加密算法时，还可以确保消息的机密性。
支持跨域（Cross-origin）：JWT可以通过HTTP头或URL参数进行传输，因此支持跨域访问。
5. 如何避免JWT的安全风险
使用JWT时，需要注意以下几点来避免安全风险：
不要将敏感信息存储在JWT中：JWT可以被解密，因此不应该将任何敏感信息存储在JWT中。
对于重要的操作，需要再次进行身份验证：JWT只是一种身份验证机制，而不是授权机制。即使用户已经通过JWT进行了身份验证，服务器仍然需要对他们进行授权和验证。
使用HTTPS协议：由于JWT可能被篡改，因此需要确保使用HTTPS协议以确保消息的机密性和完整性。
设置合理的过期时间：如果JWT永远不会过期，那么它就会成为一个长期有效的访问令牌，从而增加了访问令牌被攻击者盗用的风险。
6.代码案例
JJWT（Java JWT）
JJWT 是一个流行的 Java JWT 库，它提供了一种创建、编码和解码 JWT 的简便方法。以下是一个基于 JJWT 的示例：
import io.jsonwebtoken.Claims;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;
import java.util.Date;
public class JwtUtils {
private static final long EXPIRATION_TIME = 864_000_000; // 10 days
private static final String SECRET_KEY = "secretKey";
public static String generateToken(String username) {
Date expiryDate = new Date(System.currentTimeMillis() + EXPIRATION_TIME);
return Jwts.builder()
.setSubject(username)
.setExpiration(expiryDate)
.signWith(SignatureAlgorithm.HS512, SECRET_KEY)
.compact();
}
public static String getUsernameFromToken(String token) {
Claims claims = Jwts.parser()
.setSigningKey(SECRET_KEY)
.parseClaimsJws(token)
.getBody();
return claims.getSubject();
}
public static boolean isTokenValid(String token) {
try {
Jwts.parser().setSigningKey(SECRET_KEY).parseClaimsJws(token);
return true;
} catch (Exception e) {
return false;
}
}
}
在这个示例中，JwtUtils 类包含了生成令牌、从令牌中获取用户名和验证令牌的三个方法。注意，在实际使用中，SECRET_KEY 应该更加复杂。
Spring Security
Spring Security 是一个流行的安全框架，它提供了一种轻松的方式来保护应用程序和 APIs。Spring Security 支持使用 JWT 进行身份验证和授权。以下是一个基于 Spring Security 的示例：
@Configuration
@EnableWebSecurity
public class SecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {
@Autowired
private UserService userService;
@Override
protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
http
.csrf().disable()
.authorizeRequests()
.antMatchers("/api/auth/**").permitAll()
.anyRequest().authenticated()
.and()
.sessionManagement().sessionCreationPolicy(SessionCreationPolicy.STATELESS);
http.addFilterBefore(jwtAuthenticationFilter(), UsernamePasswordAuthenticationFilter.class);
}
@Bean
public JwtAuthenticationFilter jwtAuthenticationFilter() {
return new JwtAuthenticationFilter();
}
@Override
protected void configure(AuthenticationManagerBuilder auth) throws Exception {
auth.userDetailsService(userService).passwordEncoder(passwordEncoder());
}
@Bean
public PasswordEncoder passwordEncoder() {
return new BCryptPasswordEncoder();
}
}
在这个示例中，SecurityConfig 类扩展了 WebSecurityConfigurerAdapter 类，并覆盖了其中的 configure(HttpSecurity http) 方法。在这个方法中，Spring Security 配置了哪些 URL 公开，哪些需要进行身份验证，并且禁用了 CSRF 保护。配置完后，Spring Security 将 JWT 过滤器添加到 UsernamePasswordAuthenticationFilter 前面。
在实现身份验证之前，需要创建一个用户服务类并实现 UserDetailsService 接口。以下是一个示例：
@Service
public class UserService implements UserDetailsService {
@Autowired
private UserRepository userRepository;
@Override
public UserDetails loadUserByUsername(String username) throws UsernameNotFoundException {
User user = userRepository.findByUsername(username)
.orElseThrow(() -> new UsernameNotFoundException("User not found"));
return new org.springframework.security.core.userdetails.User(user.getUsername(),
user.getPassword(), new ArrayList<>());
}
}
在这个示例中，UserService 类实现了 UserDetailsService 接口，并覆盖其中的 loadUserByUsername(String username) 方法。该方法根据给定的用户名查找用户，如果用户不存在，则抛出 UsernameNotFoundException 异常。
最后，需要实现一个 JWT 过滤器来验证 JWT 并将身份验证信息加载到 Spring Security 的上下文中。以下是一个基于 Spring Security 的 JWT 过滤器示例：
public class JwtAuthenticationFilter extends OncePerRequestFilter {
private static final String AUTHORIZATION_HEADER = "Authorization";
private static final String TOKEN_PREFIX = "Bearer ";
@Override
protected void doFilterInternal(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response,
FilterChain filterChain) throws ServletException, IOException {
try {
String token = parseToken(request);
if (token != null && JwtUtils.isTokenValid(token)) {
String username = JwtUtils.getUsernameFromToken(token);
UserDetails userDetails = userService.loadUserByUsername(username);
UsernamePasswordAuthenticationToken authenticationToken =
new UsernamePasswordAuthenticationToken(userDetails, null, userDetails.getAuthorities());
authenticationToken.setDetails(new WebAuthenticationDetailsSource().buildDetails(request));
SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(authenticationToken);
}
} catch (Exception e) {
logger.error("Error while processing authentication request", e);
}
filterChain.doFilter(request, response);
}
private String parseToken(HttpServletRequest request) {
String header = request.getHeader(AUTHORIZATION_HEADER);
if (header != null && header.startsWith(TOKEN_PREFIX)) {
return header.substring(TOKEN_PREFIX.length());
}
return null;
}
}
在这个示例中，JWT 过滤器实现了 OncePerRequestFilter 类，并覆盖了其中的 doFilterInternal 方法。在该方法中，它从请求头中获取 JWT，验证 JWT，将身份验证信息加载到 Spring Security 的上下文中，然后放行请求。
Apache Shiro
Apache Shiro 是一个功能丰富的安全框架，可以用于保护 Java 应用程序和 APIs。Shiro 支持使用 JWT 进行身份验证和授权。以下是一个基于 Shiro 的示例：
@Configuration
public class ShiroConfig {
@Bean
public DefaultWebSecurityManager securityManager() {
DefaultWebSecurityManager securityManager = new DefaultWebSecurityManager();
securityManager.setRealm(realm());
return securityManager;
}
@Bean
public JwtRealm realm() {
JwtRealm realm = new JwtRealm();
realm.setCredentialsMatcher(jwtCredentialsMatcher());
return realm;
}
@Bean
public JwtCredentialsMatcher jwtCredentialsMatcher() {
return new JwtCredentialsMatcher();
}
@Bean
public ShiroFilterFactoryBean shiroFilterFactoryBean(SecurityManager securityManager) {
ShiroFilterFactoryBean filterFactoryBean = new ShiroFilterFactoryBean();
filterFactoryBean.setSecurityManager(securityManager);
filterFactoryBean.setFilters(filters());
filterFactoryBean.setFilterChainDefinitionMap(filterChainDefinition());
return filterFactoryBean;
}
private Map<String, String> filterChainDefinition() {
Map<String, String> filterChainDefinition = new LinkedHashMap<>();
filterChainDefinition.put("/api/auth/**", "anon");
filterChainDefinition.put("/**", "jwt");
return filterChainDefinition;
}
private Map<String, Filter> filters() {
Map<String, Filter> filters = new HashMap<>();
filters.put("jwt", new JwtFilter());
return filters;
}
}
在这个示例中，Shiro 配置了一个名为 securityManager 的安全管理器，其中包含一个名为 realm 的域。realm 类需要实现 org.apache.shiro.realm.Realm 接口，并覆盖其中的 supports(AuthenticationToken token) 和 getAuthenticationInfo(AuthenticationToken token) 方法来验证 JWT。
类似于 Spring Security，需要实现一个 JWT 过滤器来验证 JWT 并将身份验证信息加载到 Shiro 的上下文中。以下是一个基于 Shiro 的 JWT 过滤器示例：
public class JwtFilter extends AuthenticatingFilter {
@Override
protected AuthenticationToken createToken(ServletRequest request, ServletResponse response) {
String token = getToken(request);
if (StringUtils.isNotBlank(token) && JwtUtils.isTokenValid(token)) {
return new JwtToken(token);
}
return null;
}
@Override
protected boolean onAccessDenied(ServletRequest request, ServletResponse response) throws Exception {
HttpServletResponse httpServletResponse = (HttpServletResponse) response;
httpServletResponse.setStatus(HttpStatus.UNAUTHORIZED.value());
return false;
}
private String getToken(ServletRequest request) {
HttpServletRequest httpServletRequest = (HttpServletRequest) request;
String token = httpServletRequest.getHeader("Authorization");
if (StringUtils.isNotBlank(token) && token.startsWith("Bearer ")) {
return token.substring(7);
} else {
return null;
}
}
}
在这个示例中，JWT 过滤器扩展了 AuthenticatingFilter 类，并覆盖了其中的 createToken(ServletRequest request, ServletResponse response) 和 onAccessDenied(ServletRequest request, ServletResponse response) 方法。createToken 方法创建一个 JwtToken 对象，并将 JWT 设置为凭据。onAccessDenied 方法在未找到 JWT 时返回 UNAUTHORIZED 状态码。
来源：https://juejin.cn/post/7237009597583474745
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