JWT（JSON Web Token）详解

JSON Web Token（JWT）是一种基于JSON的开放标准（RFC 7519），用于在网络应用间安全传递信息，特别适用于身份验证和授权场景。它通过数字签名确保数据的完整性和真实性，同时避免了传统会话认证的局限性（如服务器端状态存储问题）。

一、JWT的基本结构

JWT由三部分组成，通过点（.）连接：

1. ​Header（头部）​​

   • 包含令牌类型（"typ": "JWT"）和签名算法（如HMAC SHA256、RSA等）

   • 示例：

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

   • 这部分会被Base64Url编码

2. ​Payload（负载）​​

   • 存放声明信息（claims），包括：

     • ​标准注册声明​：如iss（发行人）、exp（过期时间）、sub（主题）、aud（受众）等
     • ​公共声明​：可自定义但需避免命名冲突
     • ​私有声明​：为双方协商使用的自定义数据

   • 示例：

     {
       "sub": "user123",
       "name": "John Doe",
       "admin": true,
       "exp": 1735689600
     }
     

   • 这部分也会被Base64Url编码，但不加密，因此应避免存储敏感信息

3. ​Signature（签名）​​

   • 对Base64编码后的头部和负载进行签名，使用密钥（对称加密）或私钥（非对称加密）

   • 签名公式示例（HS256算法）：

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

   • 用于确保数据未被篡改

最终的JWT格式为：Header.Payload.Signature，例如：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

二、JWT的工作原理

1. ​用户认证​：客户端提交用户名和密码至认证服务
2. ​生成JWT​：服务器验证凭据后，生成包含用户信息的JWT并签名
3. ​存储与传输​：客户端将JWT存储在本地（如Cookie、LocalStorage），并在后续请求的HTTP头（如Authorization: Bearer <token>）中携带
4. ​验证与授权​：服务器解析JWT，验证签名有效性、过期时间及权限，若合法则返回资源

三、JWT的核心优势

1. ​无状态认证​：无需服务器存储会话信息，适合分布式系统和高并发场景
2. ​跨域支持​：可在不同服务间传递，适用于单点登录（SSO）和微服务架构
3. ​安全性​：签名机制防止数据篡改，支持非对称加密增强安全性
4. ​扩展性​：JSON格式灵活，可自定义负载内容
5. ​轻量级​：紧凑的字符串格式，传输开销小，各种语言都有库支持

四、JWT的局限性

1. ​不可撤销性​：JWT有效期内无法强制失效，需依赖短有效期或黑名单机制
2. ​负载数据暴露​：Base64编码可被解码，需避免存储敏感信息
3. ​签名密钥管理​：密钥泄露会导致安全风险，需严格保护
4. ​体积问题​：携带信息过多会导致token长度增加，影响传输效率
5. ​无法主动推送​：服务端无法像Session那样主动通知客户端续约或失效

五、JWT的应用场景

1. ​单点登录(SSO)​​：用户一次登录后访问多个关联系统
2. ​API认证​：微服务间通过JWT传递身份信息，减少频繁鉴权开销
3. ​移动端认证​：无Cookie依赖，适合App与后端通信
4. ​信息交换​：不同系统之间安全传递信息，如Istio服务网格中的身份传递
5. ​密码重置​：生成包含重置信息的临时令牌

六、安全建议

1. ​使用HTTPS​：防止JWT在传输中被截获
2. ​短有效期​：设置合理过期时间（如30分钟），减少令牌泄露后的风险窗口
3. ​密钥轮换​：定期更新签名密钥以增强安全性
4. ​避免敏感数据​：负载中仅存储必要信息，敏感数据应加密
5. ​签名算法​：选择强签名算法（如HS256或RS256），避免使用"None"算法
6. ​黑名单机制​：对于注销功能，可使用Redis存储失效token

七、代码实现示例

Java实现（使用jjwt库）

// 生成JWT
public static String generateJwt(SecretKey secretKey) {
    Map<String, Object> claims = new HashMap<>();
    claims.put("userId", "12345");
    claims.put("username", "john_doe");
    claims.put("admin", true);

    return Jwts.builder()
        .setClaims(claims)
        .setSubject("User Authentication")
        .setIssuer("MyApp")
        .setIssuedAt(new Date())
        .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + 3600000)) // 1小时后过期
        .signWith(secretKey)
        .compact();
}

// 验证JWT
public static JwtResult validateJwt(String jwt, SecretKey secretKey) {
    try {
        Jws<Claims> claimsJws = Jwts.parserBuilder()
            .setSigningKey(secretKey)
            .build()
            .parseClaimsJws(jwt);
        return new JwtResult(true, claimsJws.getBody());
    } catch (Exception e) {
        return new JwtResult(false, null);
    }
}

八、JWT与Session的比较

特性	JWT	Session
状态管理	无状态	有状态（服务器存储）
扩展性	适合分布式系统	需要会话共享机制
安全性	依赖签名和密钥	依赖Session ID安全性
存储位置	客户端存储	服务器存储
跨域支持	原生支持	需要额外配置
失效控制	依赖过期时间或黑名单	可立即失效
数据携带	可携带自定义数据	通常只存储会话标识
性能影响	每次请求需解析	需要查询会话存储

九、高级主题

1. ​刷新令牌机制​：使用短期的访问令牌和长期的刷新令牌组合，平衡安全性与用户体验
2. ​JWE（JSON Web Encryption）​​：对敏感负载内容进行加密，增强隐私保护
3. ​多因素认证集成​：在JWT claims中包含认证强度级别信息
4. ​微服务间的安全通信​：使用JWT作为服务网格中的身份凭证
5. ​合规性考虑​：满足GDPR等数据保护法规对令牌中个人信息存储的要求

十、总结

JWT通过紧凑的结构和安全的签名机制，成为现代无状态认证的主流方案。它特别适合分布式系统、微服务架构和跨域应用场景。然而，其设计需结合业务场景和安全需求，合理权衡便利性与风险。正确实现JWT认证需要考虑密钥管理、令牌有效期、传输安全等多方面因素，并可能需结合黑名单等补充机制来满足特定业务需求。