JSON Web Token (JWT) 详尽教程

阶段1: 什么是JSON Web Token (JWT)？

为什么使用JWT？

• 紧凑性：JWT是URL安全的字符串，便于在HTTP头、查询参数或Cookie中传输。
• 自包含：所有必要信息（如用户ID、过期时间）都编码在token中，服务器无需查询数据库。
• 安全性：通过签名（或加密）确保完整性和真实性。
• 跨域友好：适用于Web、移动和微服务架构，支持单点登录（SSO）。

阶段2: JWT的结构详解

示例JWT：eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

1. Header（头部）：描述token类型和签名算法。

   {
     "alg": "HS256",  // 签名算法：HMAC SHA-256
     "typ": "JWT"     // 类型：JWT
   }
   ```
   Base64Url编码后：`eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9`

2. **Payload（负载）**：包含声明（claims），是实际数据。分为三类（RFC 7519）：
   - **注册声明（Registered Claims）**：标准字段，避免冲突。
     - `iss` (Issuer)：发行者，例如`"https://example.com"`。
     - `sub` (Subject)：主题，通常用户ID。
     - `aud` (Audience)：受众，指定token目标API。
     - `exp` (Expiration Time)：过期时间（Unix时间戳），服务器必须拒绝过期token。
     - `nbf` (Not Before)：生效时间。
     - `iat` (Issued At)：发行时间。
     - `jti` (JWT ID)：唯一ID，防重放。
   - **公共声明（Public Claims）**：IANA注册，避免命名冲突，如`email`。
   - **私有声明（Private Claims）**：自定义，如`role: "admin"`。
   
   示例Payload：
   ```json
   {
     "sub": "1234567890",
     "name": "John Doe",
     "iat": 1516239022,
     "exp": 1516242622
   }
   ```
   Base64Url编码后：`eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ`

   **警告**：Payload是Base64编码，不是加密！敏感信息（如密码）绝不能放入。

3. **Signature（签名）**：使用Header中算法，对`header.payload` + 密钥计算签名，确保完整性。
   - 计算公式：`HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload), secret)`
   - 示例：使用密钥`your-256-bit-secret`，结果为`SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c`。

**Base64 URL编码**：替换`+`为`-`，`/`为`_`，去除`=`填充，确保URL安全。

#### 阶段3: JWT的工作流程
JWT认证流程如下：
1. **用户登录**：客户端发送凭证（用户名/密码）。
2. **服务器验证**：检查凭证，生成JWT（包含claims），用密钥签名，返回给客户端。
3. **后续请求**：客户端在HTTP头（`Authorization: Bearer <token>`）携带JWT。
4. **服务器验证**：
   - 检查签名：使用密钥重新计算，确保匹配。
   - 检查claims：如`exp`、`aud`、`iss`。
   - 如果有效，允许访问；否则，拒绝（401 Unauthorized）。
5. **过期/注销**：客户端丢弃token；服务器可黑名单（虽无状态，但需额外机制）。

**刷新Token**：使用长效refresh token换取短效access token，减少安全风险。

#### 阶段4: JWT的签名算法
JWT支持多种算法（RFC 7518），分为对称和非对称：
- **对称（HMAC）**：HS256/HS384/HS512，使用共享密钥。简单，但密钥泄露风险高。
- **非对称（RSA/ECDSA）**：RS256/RS512/ES256，使用私钥签名、公钥验证。适合分布式系统。
- **无签名**：none（仅调试，生产禁用）。

**推荐**：优先RS256，避免none和弱算法（如HS256弱密钥）。

#### 阶段5: JWT在不同语言中的实现示例
基于搜索结果，提供Node.js、Python、Java示例。使用标准库，确保生产级安全（短效token、HTTPS）。

**Node.js 示例（使用jsonwebtoken库）**
安装：`npm install jsonwebtoken express`

const SECRETKEY = 'your-super-secret-key'; // 生产用环境变量，256位+

// 登录：生成JWT
app.post('/login', (req, res) => {
const { username, password } = req.body;
// 验证用户（伪代码）
if (username === 'admin' && password === 'pass') {
const payload = { sub: 'admin', role: 'admin', iat: Date.now() };
const token = jwt.sign(payload, SECRETKEY, { expiresIn: '1h' });
res.json({ token });
} else {
res.status(401).json({ error: 'Invalid credentials' });
}
});

// 保护路由：验证JWT
const authenticateToken = (req, res, next) => {
const authHeader = req.headers['authorization'];
const token = authHeader && authHeader.split(' ')[1]; // Bearer
if (!token) return res.status(401).json({ error: 'Token required' });
jwt.verify(token, SECRETKEY, (err, user) => {
if (err) return res.status(403).json({ error: 'Invalid token' });
req.user = user;
next();
});
};

测试：POST `/login` 获取token，然后GET `/protected` 携带`Authorization: Bearer <token>`。

**Python 示例（使用PyJWT库）**
安装：`pip install PyJWT flask`

app = Flask(name)
SECRETKEY = 'your-super-secret-key'

登录

@app.route('/protected')
@authenticatetoken
def protected():
return jsonify({'message': 'Access granted', 'user': request.user})

if name == 'main':
app.run(port=3000)

**Java 示例（使用jjwt库）**
Maven依赖：

```java
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;
import io.jsonwebtoken.security.Keys;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.ws.rs.POST;
import javax.ws.rs.Path;
import javax.ws.rs.core.Response;
import java.util.Date;

@Path("/auth")
public class AuthResource {
    private static final SecretKey KEY = Keys.secretKeyFor(SignatureAlgorithm.HS256);
    private static final long EXPIRATION_TIME = 3600000; // 1小时

    @POST
    @Path("/login")
    public Response login(String credentials) {
        // 验证逻辑（伪代码）
        if (credentials.equals("admin:pass")) {
            String jwt = Jwts.builder()
                    .setSubject("admin")
                    .claim("role", "admin")
                    .setIssuedAt(new Date())
                    .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + EXPIRATION_TIME))
                    .signWith(KEY)
                    .compact();
            return Response.ok().entity("{\"token\":\"" + jwt + "\"}").build();
        }
        return Response.status(401).entity("{\"error\":\"Invalid\"}").build();
    }

    // 验证：类似Spring Security集成
}

阶段6: 安全最佳实践（RFC 8725）

• 使用强密钥：至少256位随机密钥，定期轮换。避免硬编码。
• 始终验证签名：检查alg、iss、aud、exp。禁用none算法。
• 短效token：Access token 5-15分钟，refresh token长效但安全存储。
• HTTPS传输：防止中间人攻击。
• 存储安全：客户端用HttpOnly/Secure Cookie，避免localStorage（防XSS）。
• 注销机制：黑名单或短效token。
• 避免敏感数据：Payload仅公共信息。

阶段7: 常见漏洞与攻击

工具测试：用jwt.io调试；Burp Suite测试攻击。

阶段8: 高级主题与最佳实践审查

• JWE（加密JWT）：用JWE加密Payload，防泄露。
• OAuth 2.0集成：JWT常作ID/Access Token。
• 性能优化：缓存公钥验证。
• 审查标准：是否超出预期？是否A+级？迭代直到完美。

阶段9: 条件认可与最终自检

参考：基于RFC 7519、Auth0、OWASP等来源。实践时，始终测试安全！