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来源 | 公众号「程序新世界」

越来越多的开发者开始学习并在实际项目中运用JWT（Json Web Token）技术来保护应用安全，很多公司的应用程序也开始使用JWT来管理用户会话信息，可谓风光无限。

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。本文将从JWT的概念、基本原理和适用范围来剖析JWT并不是银弹，需要谨慎处理。

众所周知，如果账户信息（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？

1、什么是Token

Token(令牌)通常是指Security Token(安全令牌)，可分为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)。

Token的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。

这里所讲的Token，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，像“token123”的明文字符串，或像“41ea873f-3a4d-57c8-1e38-ef74f31015af”之类的加密字符。

2、什么是JSON Web Token

JSON Web Token(JWT)是一个基于RFC7519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，一般可采用HMAC算法、RSA或者ECDSA的公钥/私钥对数据进行签名操作。

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，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：

其中，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：

签名需要使用Base64URL编码技术对标头和有效载荷进行编码，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：

至此，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文件中添加如下的配置信息：

如果是非Maven工程，可以到Maven中央仓库搜索jjwt，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：

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信息相对简单，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，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JWT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：

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JWT保护应用安全，至少可以获得以下优势：

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：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：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时可能会面临以下麻烦：

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，系统的安全性将受到威胁。

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，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。

JWT相比于Session,OIDC(OpenId Connect)等技术还比较新，支持的库还比较少。而且JWT也并非比传统Session更安全，它们都没有解决CSRF和XSS的问题。因此，在决定使用JWT前，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？

如果单纯依靠JWT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。

虽然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，也是最大的弊端——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)，都会采用其他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JWT，一旦密令被盗取，都是一件棘手的事情。下面介绍JWT发生令牌泄露是该采取什么样的措施(包含但不局限于此)。

为了防止用户JWT令牌泄露而威胁系统安全，可以在以下方面完善系统功能：

清除已泄露的令牌：最直接也容易实现。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。服务端令牌的存储，可以借助Redis等缓存服务器进行管理，也可使用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辅助来甄别。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

JWT的出现，为解决Web应用安全性问题提供了一种新思路。但JWT并不是银弹，仍然需要做很多复杂的工作才能提升系统的安全性。

当然，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。

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