JSON Web Tokens的实现原理

前言

最近在做一个python项目的改造，将python项目重构为java项目，过程中遇到了这个知识点，觉得这个蛮实用的，所以下班后回来趁热打铁写下这篇总结，希望后面的人能够有所借鉴，少走弯路。

一、优势简介

JSON Web Tokens简称jwt，是rest接口的一种安全策略。本身有很多的优势：

1. 解决跨域问题：这种基于Token的访问策略可以克服cookies的跨域问题。
2. 服务端无状态可以横向扩展，Token可完成认证，无需存储Session。
3. 系统解耦，Token携带所有的用户信息，无需绑定一个特定的认证方案，只需要知道加密的方法和密钥就可以进行加密解密，有利于解耦。
4. 防止跨站点脚本攻击，没有cookie技术，无需考虑跨站请求的安全问题。

二、原理简介

JSON Web Tokens的格式组成，jwt是一段被base64编码过的字符序列，用点号分隔，一共由三部分组成，头部header，消息体playload和签名sign。

1.jwt的头部Header是json格式：

{
    "typ":"JWT",
    "alg":"HS256",
    "exp":1491066992916
}

其中typ是type的简写，代表该类型是JWT类型，加密方式声明是HS256，exp代表当前时间.

2.jwt的消息体Playload

{
    "userid":"123456",
    "iss":"companyName"
}

消息体的具体字段可根据业务需要自行定义和添加，只需在解密的时候注意拿字段的key值获取value。

3.签名sign的生成

最后是签名，签名的生成是把header和playload分别使用base64url编码,接着用’.‘把两个编码后的字符串连接起来，再把这拼接起来的字符串配合密钥进行HMAC SHA-256算法加密，最后再次base64编码下，这就拿到了签名sign. 最后把header和playload和sign用’.‘ 连接起来就生成了整个JWT。

三、校验简介

整个jwt的结构是由header.playload.sign连接组成，只有sign是用密钥加密的，而所有的信息都在header和playload中可以直接获取，sign的作用只是校验header和playload的信息是否被篡改过，所以jwt不能保护数据，但以上的特性可以很好的应用在权限认证上。

1.加密

比如要加密验证的是userid字段，首先按前面的格式组装json消息头header和消息体playload，按header.playload组成字符串，再根据密钥和HS256加密header.playload得到sign签名，最后得到jwtToken为header.playload.sign，在http请求中的url带上参数想后端服务请求认证。

2. 解密

后端服务校验jwtToken是否有权访问接口服务，进行解密认证，如校验访问者的userid，首先
用将字符串按.号切分三段字符串，分别得到header和playload和sign。然后将header.playload拼装用密钥和HAMC SHA-256算法进行加密然后得到新的字符串和sign进行比对，如果一样就代表数据没有被篡改，然后从头部取出exp对存活期进行判断，如果超过了存活期就返回空字符串，如果在存活期内返回userid的值。

四、代码示例

1.python代码的加密解密

#!/usr/bin/env python
# coding: utf-8

from itsdangerous import BadTimeSignature, SignatureExpired
from itsdangerous import TimedJSONWebSignatureSerializer as Serializer

APP_SECRET_KEY="secret"
MAX_TOKEN_AGE=1800
token_generator = Serializer(APP_SECRET_KEY, expires_in=MAX_TOKEN_AGE)

def generate_auth_token(userid):
    access_token = token_generator.dumps({"userid":userid})
    return access_token

def verify_token(token):
    try:
        user_auth = token_generator.loads(token)
        print type(token_generator)
    except SignatureExpired as e:
        raise e
    except BadTimeSignature as e:
        raise e
    return user_auth

2. java代码的加密解密

package api.test.util;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.stereotype.Component;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import net.sf.json.JSONObject;

/**
 * jwt加解密实现
 * 
 * @author zhengsc
 */
@Slf4j
public class TokenUtil {

    private String ISSUER = "companyName"; // 机构

    private String APP_SECRET_KEY = "secret"; // 密钥

    private long MAX_TOKEN_AGE = 1800; // 存活期

    /**
     * 生成userId的accessToken
     * 
     * @param userid
     * @return
     */
    public String generateAccessToken(String userid) {
        JSONObject claims = new JSONObject();
        claims.put("iss", ISSUER);
        claims.put("userid", userid);
        String accessToken = sign(claims, APP_SECRET_KEY);
        return accessToken;
    }

    /**
     * 解密程序返回userid
     * 
     * @param token
     * @return
     */
    public String verifyToken(String token) {
        String userid = "";
        try {
            String[] splitStr = token.split("\\.");
            String headerAndClaimsStr = splitStr[0] + "." +splitStr[1];
            String veryStr = signHmac256(headerAndClaimsStr, APP_SECRET_KEY);
            // 校验数据是否被篡改
            if (veryStr.equals(splitStr[2])) {
                String header = new String(Base64.decodeBase64(splitStr[0]),"UTF-8");
                JSONObject head = JSONObject.fromObject(header);
                long expire = head.getLong("exp") * 1000L;
                long currentTime = System.currentTimeMillis();
                if (currentTime <= expire){ // 验证accessToken的有效期
                    String claims = new String(Base64.decodeBase64(splitStr[1]),"UTF-8");
                    JSONObject claim = JSONObject.fromObject(claims);
                    userid = (String) claim.get("userid");
                }
            }
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            log.error(e.getMessage(), e);
        }

        return userid;
    }

    /**
     * 组装加密结果jwt返回
     * 
     * @param claims
     * @param appSecretKey
     * @return
     */
    private String sign(JSONObject claims, String appSecretKey) {
        String headerAndClaimsStr = getHeaderAndClaimsStr(claims);
        String signed256 = signHmac256(headerAndClaimsStr, appSecretKey);
        return headerAndClaimsStr + "." + signed256;
    }

    /**
     * 拼接请求头和声明
     * 
     * @param claims
     * @return
     */
    private String getHeaderAndClaimsStr(JSONObject claims) {
        JSONObject header = new JSONObject();
        header.put("alg", "HS256");
        header.put("typ", "JWT");
        header.put("exp", System.currentTimeMillis() + MAX_TOKEN_AGE * 1000L);
        String headerStr = header.toString();
        String claimsStr = claims.toString();
        String headerAndClaimsStr = Base64.encodeBase64URLSafeString(headerStr.getBytes()) + "."
                + Base64.encodeBase64URLSafeString(claimsStr.getBytes());
        return headerAndClaimsStr;
    }

    /**
     * 将headerAndClaimsStr用SHA1加密获取sign
     * 
     * @param headerAndClaimsStr
     * @param appSecretKey
     * @return
     */
    private String signHmac256(String headerAndClaimsStr, String appSecretKey) {
        SecretKey key = new SecretKeySpec(appSecretKey.getBytes(), "HmacSHA256");
        String result = null;
        try {
            Mac mac;
            mac = Mac.getInstance(key.getAlgorithm());
            mac.init(key);
            result = Base64.encodeBase64URLSafeString(mac.doFinal(headerAndClaimsStr.getBytes()));
        } catch (NoSuchAlgorithmException | InvalidKeyException e) {
            log.error(e.getMessage(), e);
        }
        return result;
    }

}