JWT原理及验证

1.简介

JSON Web Token（缩写 JWT）是目前最流行的跨域认证解决方案。

2.跨域认证

互联网服务离不开用户认证。一般流程是下面这样。

用户向服务器发送用户名和密码。
服务器验证通过后，在当前对话（session）里面保存相关数据，比如用户角色、登录时间等等。
服务器向用户返回一个 session_id，写入用户的 Cookie。
用户随后的每一次请求，都会通过 Cookie，将 session_id 传回服务器。
服务器收到 session_id，找到前期保存的数据，由此得知用户的身份。

这种模式的问题在于，扩展性（scaling）不好。单机当然没有问题，如果是服务器集群，或者是跨域的服务导向架构，就要求 session 数据共享，每台服务器都能够读取 session。

举例来说，A 网站和 B 网站是同一家公司的关联服务。现在要求，用户只要在其中一个网站登录，再访问另一个网站就会自动登录，请问怎么实现？

一种解决方案是 session 数据持久化，写入数据库或别的持久层。各种服务收到请求后，都向持久层请求数据。这种方案的优点是架构清晰，缺点是工程量比较大。另外，持久层万一挂了，就会单点失败。

另一种方案是服务器索性不保存 session 数据了，所有数据都保存在客户端，每次请求都发回服务器。JWT 就是这种方案的一个代表。

3.JWT原理

JWT 的原理是，服务器认证以后，生成一个 JSON 对象，发回给用户，就像下面这样。

{
  "姓名": "张三",
  "角色": "管理员",
  "到期时间": "2018年7月1日0点0分"
}

以后，用户与服务端通信的时候，都要发回这个 JSON 对象。服务器完全只靠这个对象认定用户身份。为了防止用户篡改数据，服务器在生成这个对象的时候，会加上签名（详见后文）。

服务器就不保存任何 session 数据了，也就是说，服务器变成无状态了，从而比较容易实现扩展。

4.JWT的数据结构

实际的 JWT 大概就像下面这样：

它是一个很长的字符串，中间用点（.）分隔成三个部分。注意，JWT 内部是没有换行的，这里只是为了便于展示，将它写成了几行。

JWT 的三个部分依次如下。

Header（头部）
Payload（负载）
Signature（签名）

写成一行，就是下面的样子。

Header.Payload.Signature

4.2 Payload

Payload 部分也是一个 JSON 对象，用来存放实际需要传递的数据。JWT 规定了7个官方字段，供选用。

iss (issuer)：签发人
exp (expiration time)：过期时间
sub (subject)：主题
aud (audience)：受众
nbf (Not Before)：生效时间
iat (Issued At)：签发时间
jti (JWT ID)：编号

除了官方字段，你还可以在这个部分定义私有字段，下面就是一个例子。

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "admin": true
}

注意，JWT 默认是不加密的，任何人都可以读到，所以不要把秘密信息放在这个部分。

4.3 Signature

Signature 部分是对前两部分的签名，防止数据篡改。

首先，需要指定一个密钥（secret）。这个密钥只有服务器才知道，不能泄露给用户。然后，使用 Header 里面指定的签名算法（默认是 HMAC SHA256），按照下面的公式产生签名。

HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret)

算出签名以后，把 Header、Payload、Signature 三个部分拼成一个字符串，每个部分之间用”点”（.）分隔，就可以返回给用户。

4.4 Base64和Base64URL

Base64编码的原理很简单：它将原始数据按照固定的规则转换成一组64个字符中的可打印字符。这些可打印字符包括大小写字母、数字和一些特殊符号，这样编码后的数据就可以安全地通过文本协议（如HTTP、SMTP等）进行传输，而不会因为包含了特殊字符而导致解析错误。

Base64编码的具体过程是将原始数据（通常是二进制数据）划分为每3个字节一组，然后每组3个字节的数据被转换成4个Base64字符。如果原始数据的字节数不是3的倍数，那么在编码时会根据需要进行填充，通常使用等号（=）进行填充。

虽然Base64编码会使数据变得稍微庞大一些（因为每3个字节的原始数据会编码成4个字符），但它的主要优点在于它是可逆的，也就是说，可以通过解码将Base64编码的数据还原回原始数据。这使得Base64在需要在文本协议中传输二进制数据时非常有用，例如在电子邮件中嵌入图片、在网页中嵌入字体文件等。

JWT 作为一个令牌（token），有些场合可能会放到 URL（比如 api.example.com/?token=xxx）。Base64 有三个字符+、/和=，在 URL 里面有特殊含义，所以要被替换掉：=被省略、+替换成-，/替换成_ 。这就是 Base64URL 算法。

5 JWT 的使用方式

客户端收到服务器返回的 JWT，可以储存在 Cookie 里面，也可以储存在 localStorage。

此后，客户端每次与服务器通信，都要带上这个 JWT。你可以把它放在 Cookie 里面自动发送，但是这样不能跨域，所以更好的做法是放在 HTTP 请求的头信息Authorization字段里面。

Authorization: Bearer <token>

另一种做法是，跨域的时候，JWT 就放在 POST 请求的数据体里面。

6 JWT 的几个特点

（1）JWT 默认是不加密，但也是可以加密的。生成原始 Token 以后，可以用密钥再加密一次。

（2）JWT 不加密的情况下，不能将秘密数据写入 JWT。

（3）JWT 不仅可以用于认证，也可以用于交换信息。有效使用 JWT，可以降低服务器查询数据库的次数。

（4）JWT 的最大缺点是，由于服务器不保存 session 状态，因此无法在使用过程中废止某个 token，或者更改 token 的权限。也就是说，一旦 JWT 签发了，在到期之前就会始终有效，除非服务器部署额外的逻辑。

（5）JWT 本身包含了认证信息，一旦泄露，任何人都可以获得该令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT 的有效期应该设置得比较短。对于一些比较重要的权限，使用时应该再次对用户进行认证。

（6）为了减少盗用，JWT 不应该使用 HTTP 协议明码传输，要使用 HTTPS 协议传输。

7 程序验证

import base64
import hmac
import hmac
header = '{"typ":"JWT","alg":"HS256"}'
payload = '{"fresh":false,"iat":1705557145,"jti":"1878df68-1807-412a-91c8-95b43e9e344e","type":"access","sub":"example_user","nbf":1705557145,"exp":1705560745}'
header = base64.urlsafe_b64encode(bytes(str(header), 'utf-8')).decode().replace("=", "")
payload = base64.urlsafe_b64encode(bytes(str(payload), 'utf-8')).decode().replace("=", "")
signature = hmac.new(bytes('super-secret', 'utf-8'), bytes(header + '.' + payload, 'utf-8'),digestmod='sha256').digest()
sigb64 = base64.urlsafe_b64encode(bytes(signature)).decode().replace("=", "")
token = header + '.' + payload + '.' + sigb64
print(token)