【实践篇】教你玩转JWT认证---从一个优惠券聊起 环球热文

引言

最近面试过程中，无意中跟候选人聊到了JWT相关的东西，也就联想到我自己关于JWT落地过的那些项目。

关于JWT，可以说是分布式系统下的一个利器，我在我的很多项目实践中，认证系统的第一选择都是JWT。它的优势会让你欲罢不能，就像你领优惠券一样。

(相关资料图)

大家回忆一下一个场景，如果你和你的女朋友想吃某江家的烤鱼了，你会怎么做呢？

传统的时代，我想场景是这样的：我们走进一家某江家餐厅，会被服务员引导一个桌子，然后我们开始点餐，服务原会记录我们点餐信息，然后在送到后厨去。这个过程中，那个餐桌就相当于session，而我们的点餐信息回记录到这个session之中，然后送到后厨。这个是一个典型的基于session的认证过程。但我们也发现了它的弊端，就是基于session的这种认证，对服务器强依赖，而且信息都是存储在服务器之上，灵活性和扩展性大大降低。

而互联网时代，大众点评、美团、饿了么给了我们另一个选择，我们可能第一时间会在这些平台上搜索江边城外的优惠券，这个优惠券中可能会描述着两人实惠套餐明细。这张优惠券就是我们的 JWT，我们可以在任何一家有参与优惠活动的餐厅使用这张优惠券，而不必被限制在同一家餐厅。同时这张优惠券中直接记录了我们的点餐明细，等我们到了餐厅，只需要将优惠券二维码告知服务员，服务员就会给我们端上我们想要的食物。

好了，以上只是一个小例子，其实只是想说明一下JWT相较于传统的基于session的认证框架的优势。

JWT 的优势在于它可以跨域、跨服务器使用，而 Session 则只能在本域名下使用。而且，JWT 不需要在服务端保存用户的信息，只需要在客户端保存即可，这减轻了服务端的负担。这一点在分布式架构下优势还是很明显的。

什么是JWT

说了这么多，如何定义JWT呢？

JWT（JSON Web Token）是一种用于在网络应用中进行身份验证的开放标准（RFC7519）。它可以安全地在用户和服务器之间传输信息，因为它使用数字签名来验证数据的完整性和真实性。

JWT包含三个部分：头部、载荷和签名。头部包含算法和类型信息，载荷包含用户的信息，签名用于验证数据的完整性和真实性。

额外说一下poload，也就是负荷部分，这块是jwt的核心模块，它内部包括一些声明（claims）。声明由三个类型组成：

Registered Claims：这是预定义的声明名称，主要包括以下几种：

iss：Token 发行者sub：Token 主题aud：Token的受众exp：Token 过期时间iat：Token发行时间jti：Token唯一标识符

Public Claims：公共声明是自己定义的声明名称，以避免冲突。

Private Claims：私有声明与公共声明类似，不同之处在于它是用于在双方之间共享信息的。

当用户登录时，服务器将生成一个JWT，并将其作为响应返回给客户端。客户端将在后续的请求中发送此JWT。服务器将使用相同的密钥验证JWT的签名，并从载荷中获取用户信息。如果签名验证通过并且用户信息有效，则服务器将允许请求继续进行。

JWT优点

JWT优点如果我们系统的总结一下， 如下：

跨语言和平台：JWT是基于JSON标准的，因此可以在不同的编程语言和平台之间进行交换和使用。无状态：由于JWT包含所有必要的信息，服务器不需要在每个请求中存储任何会话数据，因此可以轻松地进行负载均衡。安全性：JWT使用数字签名来验证数据的完整性和真实性，因此可以防止数据被篡改或伪造。可扩展性：JWT可以包含任何用户信息，因此可以轻松地扩展到其他应用程序中。一个基于JWT认证的方案

我将举一个我实际业务落地的一个例子。

我的业务场景中一般都会有一个业务网关，该网关的核心功能就是鉴权和上线文转换。用户请求会将JWT字符串存与header之中，然后到网关后进行JWT解析，解析后的上下文信息，会转变成明文K-V的方式在此存于header之中，供系统内部各个微服务之间互相调用时提供明文上下文信息。具体时序图如下：

基于Spring security的JWT实践

JWT原理很简单，当然，你可以完全自己实现JWT的全流程，但是，实际中，我们一般不需要这么干，因为有很多成熟和好用的轮子提供给我们，而且封装性和安全性也远比自己匆忙的封装一个简单的JWT来的高。

如果是基于学习JWT，我是建议大家自己手写一个demo的，但是如果重实践的角度触发，我们完全可以使用Spring Security提供的JWT组件，来高效快速的实现一个稳定性和安全性都非常高的JWT认证框架。

以下是我基于我的业务实际情况，根据保密性要求，简化了的JWT实践代码。也算是抛砖引玉，希望可以给大家在业务场景中运用JWT做一个参考。

maven依赖

首先，我们需要添加以下依赖到pom.xml文件中：

org.springframework.bootspring-boot-starter-securityio.jsonwebtokenjjwt0.9.1

JWT工具类封装

然后，我们可以创建一个JwtTokenUtil类来生成和验证JWT令牌：

import io.jsonwebtoken.Claims;import io.jsonwebtoken.Jwts;import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;import org.springframework.security.core.userdetails.UserDetails;import org.springframework.stereotype.Component;import java.util.Date;import java.util.HashMap;import java.util.Map;import java.util.function.Function;@Componentpublic class JwtTokenUtil {    private static final long JWT_TOKEN_VALIDITY = 5 * 60 * 60;    @Value("${jwt.secret}")    private String secret;    public String generateToken(UserDetails userDetails) {        Map claims = newHashMap <>();        return createToken(claims, userDetails.getUsername());    }    private String createToken(Map claims, String subject) {        Date now = new Date();        Date expiration = new Date(now.getTime() + JWT_TOKEN_VALIDITY * 1000);        return Jwts.builder()                .setClaims(claims)                .setSubject(subject)                .setIssuedAt(now)                .setExpiration(expiration)                .signWith(SignatureAlgorithm.HS256, secret)                .compact();    }    public boolean validateToken(String token, UserDetails userDetails) {        final String username = extractUsername(token);        return (username.equals(userDetails.getUsername()) && !isTokenExpired(token));    }    private boolean isTokenExpired(String token) {        return extractExpiration(token).before(new Date());    }    public String extractUsername(String token) {        return extractClaim(token, Claims::getSubject);    }    public Date extractExpiration(String token) {        return extractClaim(token, Claims::getExpiration);    }    private  T extractClaim(String token, Function claimsResolver) {        final Claims claims = extractAllClaims(token);        return claimsResolver.apply(claims);    }    private Claims extractAllClaims(String token) {        return Jwts.parser().setSigningKey(secret).parseClaimsJws(token).getBody();    }}

在这个实现中，我们使用了jjwt库来创建和解析JWT令牌。我们定义了以下方法：

generateToken：生成JWT令牌。createToken：创建JWT令牌。validateToken：验证JWT令牌是否有效。isTokenExpired：检查JWT令牌是否过期。extractUsername：从JWT令牌中提取用户名。extractExpiration：从JWT令牌中提取过期时间。extractClaim：从JWT令牌中提取指定的声明。extractAllClaims：从JWT令牌中提取所有声明。UserDetailsService类定义

接下来，我们可以创建一个自定义的UserDetailsService，用于验证用户登录信息：

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;import org.springframework.security.core.userdetails.User;import org.springframework.security.core.userdetails.UserDetails;import org.springframework.security.core.userdetails.UserDetailsService;import org.springframework.security.core.userdetails.UsernameNotFoundException;import org.springframework.stereotype.Service;@Servicepublic class JwtUserDetailsService implements UserDetailsService {    @Autowired    private UserRepository userRepository;    @Override    public UserDetails loadUserByUsername(String username)            throws UsernameNotFoundException {        UserEntity user = userRepository.findByUsername(username);        if (user == null) {            throw new UsernameNotFoundException("User not found with username: " + username);        }        return new User(user.getUsername(), user.getPassword(),                new ArrayList<>());    }}

在这个实现中，我们使用了UserRepository来检索用户信息。我们实现了UserDetailsService接口，并覆盖了loadUserByUsername方法，以便验证用户登录信息。

JwtAuthenticationFilter定义

接下来，我们可以创建一个JwtAuthenticationFilter类，用于拦截登录请求并生成JWT令牌：

import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;import org.springframework.security.authentication.AuthenticationManager;import org.springframework.security.authentication.UsernamePasswordAuthenticationToken;import org.springframework.security.core.Authentication;import org.springframework.security.core.AuthenticationException;import org.springframework.security.web.authentication.UsernamePasswordAuthenticationFilter;import javax.servlet.FilterChain;import javax.servlet.ServletException;import javax.servlet.http.HttpServletRequest;import javax.servlet.http.HttpServletResponse;import java.io.IOException;import java.util.Collections;import java.util.Date;public class JwtAuthenticationFilter extends UsernamePasswordAuthenticationFilter {    private final AuthenticationManager authenticationManager;    private final JwtTokenUtil jwtTokenUtil;    public JwtAuthenticationFilter(AuthenticationManager authenticationManager, JwtTokenUtil jwtTokenUtil) {        this.authenticationManager = authenticationManager;        this.jwtTokenUtil = jwtTokenUtil;    }    @Override    public Authentication attemptAuthentication(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws AuthenticationException {        try {            LoginRequest loginRequest = new ObjectMapper().readValue(request.getInputStr eam(), LoginRequest.class);            return authenticationManager.authenticate(                    new UsernamePasswordAuthenticationToken(loginRequest.getUsername(), loginRequest.getPassword(), Collections.emptyList())            );        } catch (IOException e) {            throw new RuntimeException(e);        }    }    @Override    protected void successfulAuthentication(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, FilterChain chain, Authentication authResult)throwsIOException,ServletException {        UserDetails userDetails = (UserDetails) authResult.getPrincipal();        String token = jwtTokenUtil.generateToken(userDetails);        response.addHeader("Authorization", "Bearer " + token);    }    private static class LoginRequest {        private String username;        private String password;        public String getUsername() {            return username;        }        public void setUsername(String username) {            this.username = username;        }        public String getPassword() {            return password;        }        public void setPassword(String password) {            this.password = password;        }    }}

在这个实现中，我们继承了UsernamePasswordAuthenticationFilter类，并覆盖了attemptAuthentication和successfulAuthentication方法，以便在登录成功时生成JWT令牌并将其添加到HTTP响应头中。

Spring Security配置类

最后，我们可以创建一个Spring Security配置类，以便配置验证和授权规则：

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;import org.springframework.context.annotation.Bean;import org.springframework.context.annotation.Configuration;import org.springframework.security.authentication.AuthenticationManager;import org.springframework.security.config.annotation.authentication.builders.AuthenticationManagerBuilder;import org.springframework.security.config.annotation.method.configuration.EnableGlobalMethodSecurity;import org.springframework.security.config.annotation.web.builders.HttpSecurity;import org.springframework.security.config.annotation.web.configuration.EnableWebSecurity;import org.springframework.security.config.annotation.web.configuration.WebSecurityConfigurerAdapter;import org.springframework.security.config.http.SessionCreationPolicy;import org.springframework.security.crypto.bcrypt.BCryptPasswordEncoder;import org.springframework.security.crypto.password.PasswordEncoder;import org.springframework.security.web.authentication.UsernamePasswordAuthenticationFilter;@Configuration@EnableWebSecurity@EnableGlobalMethodSecurity(prePostEnabled = true)public class SecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {    @Autowired    private JwtUserDetailsService jwtUserDetailsService;    @Autowired    private JwtAuthenticationEntryPoint jwtAuthenticationEntryPoint;    @Autowired    private JwtTokenUtil jwtTokenUtil;    @Override    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {        http.csrf().disable()                .authorizeRequests().antMatchers("/authenticate").permitAll()                .anyRequest().authenticated().and()                .exceptionHandling().authenticationEntryPoint(jwtAuthenticationEntryPoint).and()                .sessionManagement().sessionCreationPolicy(SessionCreationPolicy.STATELESS);        http.addFilterBefore(newJwtAuthenticationFilter(authenticationManager(), jwtTokenUtil), UsernamePasswordAuthenticationFilter.class);    }    @Override    protected void configure(AuthenticationManagerBuilder auth) throws Exception {        auth.userDetailsService(jwtUserDetailsService).passwordEncoder(passwordEncoder());    }    @Override    @Bean    public AuthenticationManager authenticationManagerBean() throws Exception {        return super.authenticationManagerBean();    }    @Bean    public PasswordEncoder passwordEncoder() {        return new BCryptPasswordEncoder();    }}

在这个实现中，我们使用JwtUserDetailsService来验证用户登录信息，并使用JwtAuthenticationEntryPoint来处理验证错误。

我们还配置了JwtAuthenticationFilter来生成JWT令牌，并将其添加到HTTP响应头中。我们还定义了一个PasswordEncoderbean，用于加密用户密码。

调试接口验证

现在，我们可以向/authenticate端点发送POST请求，以验证用户登录信息并生成JWT令牌。例如：

bashcurl -X POST \  http://localhost:8080/authenticate \  -H "Content-Type: application/json"\  -d "{    "username": "user",    "password": "password"}"

如果登录信息验证成功，将返回一个带有JWT令牌的HTTP响应头。我们可以使用这个令牌来访问需要授权的端点。例如：

bashcurl -X GET \  http://localhost:8080/hello \  -H "Authorization: Bearer eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ1c2VyIiwiaWF0IjoxNjI0MDM2NzA4LCJleHAiOjE2MjQwMzc1MDh9.9fZS7jPp0NzB0JyOo4y4jO4x3s3KjV7yW1nLzV7cO_c"

在这个示例中，我们向/hello端点发送GET请求，并在HTTP头中添加JWT令牌。如果令牌有效并且用户有权访问该端点，则返回一个成功的HTTP响应。

总结

JWT是一种简单、安全和可扩展的身份验证机制，适用于各种应用程序和场景。它可以减少服务器的负担，提高应用程序的安全性，并且可以轻松地扩展到其他应用程序中。

但是JWT也有一定的缺点，比如他的payload模块并没有明确说明一定要加密传输，所以当你没有额外做一些安全性措施的情况下，jwt一旦被别人截获，很容易泄漏用户信息。所以，如果要增加JWT的在实际项目中的安全性，安全加固措施必不可少，包括加密方式，秘钥的保存，JWT的过期策略等等。

当然实际中的认证鉴权框架不止有JWT，JWT只是解决了用户上下文传输的问题。实际项目中经常是JWT结合其他认证系统一同使用，比如OAuth2.0。这里篇幅有限，就不展开。以后有机会再单独写一篇关于OAuth2.0认证架构的文章。

作者：京东物流 赵勇萍

内容来源：京东云开发者社区

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