越来越多的开发者开始学习 JWT 技术并在实际项目中运用 JWT 来保护应用安全。一时间，JWT 技术风光无限，很多公司的应用程序也开始使用 JWT（Json Web Token）来管理用户会话信息。本文将从 JWT 的基本原理出发，分析在使用 JWT 构建基于 Token 的身份验证系统时需要谨慎对待的细节。
任何技术框架都有自身的局限性，不可能一劳永逸，JWT 也不例外。接下来，将从 JWT 的概念，基本原理和适用范围来剖析为什么说 JWT 不是银弹，需要谨慎处理。
众所周知，如果我们的账户信息（用户名和密码）泄露，存储在服务器上的隐私数据将受到毁灭性的打击，如果是管理员的账户信息泄露，系统还有被攻击的危险。那么，JWT 的信息发生泄露，会带来什么样的影响？该如何防范？这将是本文重点阐述的内容。
1、什么是Token
Token(令牌)通常是指 Security Token(安全令牌)，可以分为 Hardware Token(硬件令牌)，Authentication Token(授权令牌)，USB Token(USB令牌)，Cryptographic Token(加密令牌)，Virtual Token(虚拟令牌)和 Key Fob(钥匙卡)。其主要作用是验证身份的合法性，以允许计算机系统的用户可以操作系统资源。生活中常见的令牌如：登录密码，指纹，声纹，门禁卡，银行电子卡等。Token 的主要目的是为计算机系统提供一个可以识别用户的任意数值，例如 “token123” 这样的明文字符串，或者像 “41ea873f-3a4d-57c8-1e38-ef74f31015af” 之类的加密字符。
由于篇幅关系，Token就了解到这里。接下来将聊聊有关JWT(JSON Web Token)的原理。
2、什么是JSON Web Token
JSON Web Token(JWT)是一个基于 RFC 7519 的开放数据标准，它定义了一种宽松且紧凑的数据组合方式，使用 JSON 对象在各应用之间传输加密信息。该 JSON 对象可以通过数字签名进行鉴签和校验，一般地，JWT 可以采用 HMAC 算法，RSA 或者 ECDSA 的公钥/私钥对数据进行签名操作。
一个 JWT 通常有 HEADER (头)，PAYLOAD (有效载荷)和 SIGNATURE (签名)三个部分组成，三者之间使用“.”链接，格式如下：
下面是的字符串是一个JWT的实际案例：
注意三者之间有一个点号(“.”)相连
为了更直观的了解JWT的创建过程和使用方式，我们通过一个简单的例子来演示这两个过程。
3、如何创建JWT?
JWT通常由“标头.有效载荷.签名”的格式组成。其中，标头用于存储有关如何计算JWT签名的信息，如对象类型，签名算法等。下面是JWT中Header部分的JSON对象实例：
在此 JSON 对象中，type 表示该对象为 JWT,alg 表示创建 JWT 时使用HMAC-SHA256 散列算法计算签名。有效载荷主要用于存储用户信息，如用户 ID，Email，角色和权限信息等。下面是有效载荷的一个简单示例：
而签名则需要使用 Base64URL 编码技术对标头 (Header 和有效载荷(Payload) 进行编码，并作为参数和秘钥一同传递给签名算法，生成最终的签名 (Signature)。以 HMAC-SHA256 算法为例，下面是生成签名的一个伪代码：
现在，我们已经了解了 JWT 的基本原理，接下来将使用 Java 来演示生成 JWT 的完整过程。
4、基于 Java 实现的 JWT
4-1、依赖
以 Maven 工程为例，需要在 pom.xml 文件中添加入下的配置信息：
如果是非 Maven 工程，你也可以到 Maven 中央仓库搜索 jjwt，然后选择相应的版本(0.9.0)下载到本地，并将 jar 包添加到工程的类路径(classpath)中。
4-2、生成JWT
在工程中新建 JJWTUitls.java 工具类，使用 jjwt 提供的方法实现 JWT 的生成，实现细节如下：
在此方法中，JJWT 已经处理好 JWT 标头(Header)的信息，我们只需要提供签名所使用的算法(如 SignatureAlgorithm.HS256)，有效载荷，主题(包含了用户信息)，过期时间(exp-time)和秘钥即可，最后使用 jjwt 的 builder()方法组装 JWT。下面是生成秘钥方法 key() 的源代码：
4-3、解析JWT
使用 JJWT 解析 JWT 相对简单，首先获取秘钥，然后通过 Jwts.parse() 方法设置秘钥并 JWT 进行解析，实现细节如下：
4-4、测试JJWT
最后，在工程中新建一个 JavaJWT.java 类，并在 main 方法中检验 JJWTUtils 工具类中生成和解析 JWT 两个方法是否有效。实现细节如下：
如上图所示，“jwt”将作为 JWT 标头(Header) “type” 的值，有效载荷(payload)中的主题信息如下：
且 JWT 签名的有效时间为60,000毫秒。执行 main 方法，输出信息如下所示：
从测试结果可以看出，我们成功的使用 JJWT 创建并解析了 JWT。接下来，我们将了解到在实际的应用中，JWT 对用户信息进行验证的基本流程。
5、 JWT 工作流程
在身份验证中，当用户成功登录系统时，授权服务器将会把 JSON Web Token 返回给客户端，用户需要将此凭证信息存储在本地(cookie或浏览器缓存)。当用户发起新的请求时，需要在请求头中附带此凭证信息，当服务器接收到用户请求时，会先检查请求头中有无凭证，是否过期，是否有效。如果凭证有效，将放行请求；若凭证非法或者过期，服务器将回跳到认证中心，重新对用户身份进行验证，直至用户身份验证成功。以访问 API 资源为例，下图显示了获取并使用 JWT 的基本流程：
现在，我们已经完全了解了 JWT 是什么，怎么实现以及用来干什么这三个问题。在上述的案例中，我们使用 HS256 算法对 JWT 进行签名，在这个过程中，只有身份验证服务器和应用服务器知道秘钥是什么。如果身份验证服务器和应用服务器完全独立，则应用服务器的 JWT 校验工作也可以交由认证服务器完成。当客户端对应用服务器发起调用时，应用服务器会使用秘钥对签名进行校验，如果签名有效且未过期，则允许客户端的请求，反之则拒绝请求。
6、使用 JWT 的利弊
优势与劣势是相对而言的，这里主要以传统的 Session 模式作为参考，总结使用 JWT 可以获得优势以及带来的弊端。
6-1、 使用 JWT 的优势
使用 JSON Web Token 保护应用安全，你至少可以获得以下几个优势：
更少的数据库连接：因其基于算法来实现身份认证，在使用 JWT 时查询数据的次数更少(更少的数据连接不等于不连接数据库)，可以获得更快的系统响应时间。构建更简单：如果你的应用程序本身是无状态的，那么选择 JWT 可以加快系统构建过程。
跨服务调用：你可以构建一个认证中心来处理用户身份认证和发放签名的工作，其他应用服务在后续的用户请求中不需要(理论上)在询问认证中心，可使用自有的公钥对用户签名进行验证。
无状态：你不需要向传统的 Web 应用那样将用户状态保存于 Session 中。
6-2、使用 JWT 的弊端
JWT 不是万能的，使用 JWT 也会带来诸多问题。就个人使用情况，使用 JWT 时可能会面临以下几个麻烦：
- 严重依赖于秘钥：JWT 的生成与解析过程都需要依赖于秘钥(Secret)，且都以硬编码的方式存在于系统中(也有放在外部配置文件中的)。如果秘钥不小心泄露，系统的安全性将收到威胁。
- 服务端无法管理客户端的信息：如果用户身份发生异常(信息泄露，或者被攻击)，服务端很难向操作 Session 那样主动将异常用户进行隔离。
- 服务端无法主动推送消息：服务端由于是无状态的，他将无法使用像 Session 那样的方式推送消息到客户端，例如过期时间将至，服务端无法主动为用户续约，需要客户端向服务端发起续约请求。
- 冗余的数据开销：一个 JWT 签名的大小要远比一个 Session ID 长很多，如果你对有效载荷(payload)中的数据不做有效控制，其长度会成几何倍数增长，且在每一次请求时都需要负担额外的网络开销。
- JSON Web Token 很流行，但是它相比于 Session,OIDC(OpenId Connect)等技术还比较新，支持 JSON Web Token 的库还比较少，而且 JWT 也并非比传统 Session 更安全，他们都没有解决 CSRF 和 XSS 的问题。因此，在决定使用 JWT 前，你需要仔细考虑其利弊。
7、JWT 并非银弹
考虑这样一个问题：如果客户端的 JWT 令牌泄露或者被盗取，会发生什么严重的后果？有什么补救措施？
- 如果单纯的依靠 JSON Web Token 解决用户认证的所有问题，那么系统的安全性将是脆弱的。由于 JWT 令牌存储于客户端中，一旦客户端存储的令牌发生泄露事件或者被攻击，攻击者就可以轻而易举的伪造用户身份去修改/删除系统资源，岁如按 JWT 自带过期时间，但在过期之前，攻击者可以肆无忌惮的操作系统数据。通过算法来校验用户身份合法性是 JWT 的优势，同时也是最大的弊端——它太过于依赖算法。
- 反观传统的用户认证措施，通常会包含多种组合，如手机验证码，人脸识别，语音识别，指纹锁等。用户名和密码只做用户身份识别使用，当用户名和密码泄露后，在遇到敏感操作时(如新增，修改，删除，下载，上传)，都会采用另外的方式对用户的合法性进行验证(发送验证码，邮箱验证码，指纹信息等)以确保数据安全。
- 与传统的身份验证方式相比，JWT 过多的依赖于算法，缺乏灵活性，而且服务端往往是被动执行用户身份验证操作，无法及时对异常用户进行隔离。那是否有补救措施呢？答案是肯定的。接下来，将介绍在发生令牌泄露事件后，如何保证系统的安全。
8、JWT 爬坑指南
不管是基于 Sessions 还是基于 JSON Web Token，一旦密令被盗取，都是一件棘手的事情。接下来，将讲述基于 JSON Web Token 的方式发生令牌泄露是该采取什么样的措施(解决方案包含但不局限与本文所涉及的内容)。
为了防止用户 JWT 令牌泄露而威胁系统安全，你可以在以下几个方面完善系统功能：
- 清除已泄露的令牌：此方案最直接，也容易实现，你需将 JWT 令牌在服务端也存储一份，若发现有异常的令牌存在，则从服务端令牌列表中将此异常令牌清除。当用户发起请求时，强制用户重新进行身份验证，直至验证成功。对于服务端的令牌存储，可以借助 Redis 等缓存服务器进行管理，也可以使用 Ehcache 将令牌信息存储在内存中。
- 敏感操作保护：在涉及到诸如新增，修改，删除，上传，下载等敏感性操作时，定期(30分钟，15分钟甚至更短)检查用户身份，如手机验证码，扫描二维码等手段，确认操作者是用户本人。如果身份验证不通过，则终止请求，并要求重新验证用户身份信息。
- 地域检查：通常用户会在一个相对固定的地理范围内访问应用程序，可以将地理位置信息作为一个辅助来甄别用户的 JWT 令牌是否存在问题。如果发现用户A由经常所在的地区 1 变到了相对较远的地区 2 ，或者频繁在多个地区间切换，不管用户有没有可能在短时间内在多个地域活动(一般不可能)，都应当终止当前请求，强制用户重新进行验证身份，颁发新的 JWT 令牌，并提醒(或要求)用户重置密码。
- 监控请求频率：如果 JWT 密令被盗取，攻击者或通过某些工具伪造用户身份，高频次的对系统发送请求，以套取用户数据。针对这种情况，可以监控用户在单位时间内的请求次数，当单位时间内的请求次数超出预定阈值值，则判定该用户密令是有问题的。例如 1 秒内连续超过 5 次请求，则视为用户身份非法，服务端终止请求并强制将该用户的 JWT 密令清除，然后回跳到认证中心对用户身份进行验证。
- 客户端环境检查：对于一些移动端应用来说，可以将用户信息与设备(手机,平板)的机器码进行绑定，并存储于服务端中，当客户端发起请求时，可以先校验客户端的机器码与服务端的是否匹配，如果不匹配，则视为非法请求，并终止用户的后续请求。
总结
本文从 Token 的基本含义，JSON Web Token 的原理和流程出发，并结合实际的案例分析了使用 JSON Web Token 的优势与劣势；与此同时，结合自己实际使用 JSON Web Token 过程中发现的问题给出了避免“踩坑”的解决方案。
世上没有完美的解决方案，系统的安全性需要开发者积极主动地去提升，其过程是漫长且复杂的，也许一开始的 MVP 系统并不需要那么强大的安全性，但随着业务的增长系统需要升级，或者说最终将重写整个系统，提前了解技术背后可能会遇到的问题，不失为一种好的编程习惯。
JSON Web Token 的出现，为解决 Web 应用安全性问题提供了一种新思路。但JSON Web Token 也不是银弹，你任然需要做很多复杂的工作才能提升系统的安全性。
