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JWT结构组成

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JWT结构组成

概述

JWT（JSON Web Token）由三部分组成：头部（Header）、负载（Payload）和签名（Signature）。这三部分通过Base64编码后用.连接形成完整的JWT。本章节将详细解析JWT的结构组成，帮助你理解每个部分的作用和格式。

知识要点

1. 头部（Header）

Header是JWT的第一部分，用于描述JWT的基本信息，主要包括所使用的加密算法和Token类型。

1.1 格式与内容

Header通常是一个JSON对象，包含以下字段：

  • alg：表示JWT使用的签名算法，如HS256（HMAC-SHA256）、RS256（RSA-SHA256）等
  • typ：表示Token类型，固定为"JWT"

示例：

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

1.2 Base64编码

Header部分会经过Base64编码（实际上是Base64Url编码， slightly modified for URL safety），形成JWT的第一部分。

// Java中对Header进行Base64Url编码的示例
String headerJson = "{\"alg\": \"HS256\", \"typ\": \"JWT\"}";
String encodedHeader = Base64.getUrlEncoder().withoutPadding().encodeToString(headerJson.getBytes());
// encodedHeader结果: eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9

2. 负载（Payload）

Payload是JWT的第二部分，用于存储实际需要传输的数据。它包含了一些标准声明和自定义声明。

2.1 标准声明

JWT定义了一些标准声明（Claims），这些声明是推荐使用的，但不是必须的：

  • iss：Issuer，签发者
  • sub：Subject，主题（通常是用户ID）
  • aud：Audience，受众
  • exp：Expiration Time，过期时间（Unix时间戳）
  • nbf：Not Before，生效时间（Unix时间戳）
  • iat：Issued At，签发时间（Unix时间戳）
  • jti：JWT ID，唯一标识符

2.2 自定义声明

除了标准声明外，还可以添加自定义声明来存储额外的信息。例如：

  • username：用户名
  • role：用户角色
  • permissions：用户权限

示例：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "iat": 1516239022,
  "exp": 1516242622,
  "role": "admin"
}

2.3 安全注意事项

需要注意的是，Payload部分只经过Base64编码，相当于明文存储，因此不要在Payload中存储敏感信息，如密码、信用卡号等。

3. 签名（Signature）

Signature是JWT的第三部分，用于验证JWT的真实性和完整性。通过对编码后的Header和Payload进行签名，可以确保数据在传输过程中没有被篡改。

3.1 生成过程

签名的生成过程如下：

  1. 将编码后的Header和Payload用点(.)连接起来，形成字符串 encodedHeader.encodedPayload
  2. 使用Header中指定的算法和密钥对该字符串进行签名
  3. 对签名结果进行Base64 URL编码
  4. 将编码后的签名添加到JWT的第三部分
// 生成JWT签名示例
String encodedHeader = "eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9";
String encodedPayload = "eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIn0";
String secretKey = "your-secret-key";

// 构建待签名字符串
String data = encodedHeader + "." + encodedPayload;

// 使用HMAC-SHA256算法生成签名
Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
mac.init(new SecretKeySpec(secretKey.getBytes(), "HmacSHA256"));
byte[] signatureBytes = mac.doFinal(data.getBytes());

// Base64 URL编码签名
String encodedSignature = Base64.getUrlEncoder()
                               .withoutPadding()
                               .encodeToString(signatureBytes);

// 完整JWT
String jwt = encodedHeader + "." + encodedPayload + "." + encodedSignature;

3.2 验证过程

当接收方收到JWT时，会进行以下验证步骤：

  1. 提取Header和Payload
  2. 使用相同的算法和密钥重新生成签名
  3. 比较重新生成的签名与JWT中的签名是否一致
  4. 验证Payload中的声明（如过期时间、发行者等）

4. 完整JWT示例

一个完整的JWT如下所示：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIn0.dozjgNryP4J3jVmNHl0w4I3ZVX5nz5-HXMrjGOppEv8

这个JWT由三部分组成：

  • Header: eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9
  • Payload: eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIn0
  • Signature: dozjgNryP4J3jVmNHl0w4I3ZVX5nz5-HXMrjGOppEv8

5. Base64编码与解码

JWT的Header和Payload部分使用的是Base64 URL编码，这是标准Base64编码的变体，主要区别在于：

  • 使用-代替+
  • 使用_代替/
  • 去除末尾的填充字符=

以下是Java中Base64 URL编码和解码的示例：

// Base64 URL编码
String encode(String input) {
    return Base64.getUrlEncoder()
                .withoutPadding()
                .encodeToString(input.getBytes());
}

// Base64 URL解码
String decode(String encoded) {
    return new String(Base64.getUrlDecoder().decode(encoded));
}

知识扩展

设计思想

JWT的结构设计体现了以下思想：

  1. 模块化：将不同功能的信息分离到不同部分
  2. 自包含：所有必要信息都包含在Token中
  3. 高效：使用Base64编码确保数据紧凑
  4. 安全：通过签名机制确保数据完整性
  5. 可扩展：支持自定义声明，满足不同业务需求

避坑指南

  1. 不要存储敏感信息：Payload部分是Base64编码的，相当于明文，不应存储敏感信息
  2. 选择合适的签名算法：根据业务需求选择合适的签名算法，分布式系统推荐使用非对称算法
  3. 注意Base64编码的特殊性：JWT使用的是Base64 URL编码，不是标准的Base64编码
  4. 验证全部声明：除了验证签名外，还应验证Payload中的所有声明（如过期时间、发行者等）
  5. 处理编码错误：在解码JWT时，应处理可能出现的编码错误

深度思考题

深度思考题: 为什么JWT的Header和Payload只进行Base64编码而不加密？

思考题回答:

JWT的Header和Payload只进行Base64编码而不加密，主要有以下原因：

  1. 设计目的：JWT的主要目的是认证和信息交换，而不是数据加密。JWT的安全性主要依赖于签名，而不是加密。

  2. 性能考虑：加密和解密会增加性能开销，而Base64编码是一种简单高效的编码方式。

  3. 透明性：Header和Payload中的信息通常需要被客户端或中间服务读取和使用，加密会增加信息获取的复杂性。

  4. 分离关注点：JWT将数据完整性（通过签名保证）和数据保密性（通过其他机制保证）分开处理。如果需要传输敏感信息，可以使用JWE(JSON Web Encryption)对JWT进行加密。

  5. 标准设计：JWT规范(RFC 7519)明确规定了Header和Payload的编码方式为Base64 URL编码，而不是加密。

需要强调的是，虽然Header和Payload不加密，但JWT的签名机制确保了这些信息不能被篡改。如果需要传输敏感信息，应该使用JWE或其他加密机制对整个JWT或其部分内容进行加密。 Signature的生成过程如下：

  1. 将编码后的Header和编码后的Payload用.连接起来，形成字符串encodedHeader.encodedPayload
  2. 使用Header中指定的签名算法，结合一个密钥（Secret），对上述字符串进行签名
  3. 对签名结果进行Base64Url编码，形成最终的Signature

3.2 验证机制

当接收到JWT时，验证方会：

  1. 提取Header和Payload
  2. 使用相同的算法和密钥重新生成签名
  3. 比较重新生成的签名与JWT中的Signature是否一致
  4. 若一致，则JWT有效；若不一致，则JWT可能被篡改

3.3 代码示例

// Java中生成JWT签名的示例
String encodedHeader = "eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9";
String encodedPayload = "eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIn0";
String secret = "your-secret-key";

// 组合Header和Payload
String headerPlusPayload = encodedHeader + "." + encodedPayload;

// 生成签名
Mac sha256Hmac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(secret.getBytes(), "HmacSHA256");
sha256Hmac.init(secretKey);
byte[] signatureBytes = sha256Hmac.doFinal(headerPlusPayload.getBytes());

// 对签名进行Base64Url编码
String encodedSignature = Base64.getUrlEncoder().withoutPadding().encodeToString(signatureBytes);

// 完整的JWT
String jwt = encodedHeader + "." + encodedPayload + "." + encodedSignature;

知识扩展

设计思想

JWT的结构设计体现了以下思想：

  • 模块化：将不同功能的信息分离到不同部分
  • 简洁性：使用Base64编码减少数据大小，便于传输
  • 安全性：通过数字签名确保数据的完整性和真实性
  • 可扩展性：支持自定义声明，满足不同场景需求

避坑指南

  1. 选择合适的签名算法：HS256对称算法简单但密钥需要安全共享；RS256非对称算法更安全但性能较低
  2. 不要在Payload中存储敏感信息：Base64编码不是加密，可轻易解码
  3. 设置合理的过期时间：避免Token长期有效
  4. 保护签名密钥：特别是对称算法中，密钥泄露意味着可以伪造JWT
  5. 使用Base64Url编码：而不是标准Base64，以确保在URL中传输安全

深度思考题

深度思考题: 对称加密算法（如HS256）和非对称加密算法（如RS256）在JWT签名中有什么区别？各自适用什么场景？

思考题回答:

对称加密算法（如HS256）和非对称加密算法（如RS256）在JWT签名中的主要区别：

  1. 密钥管理：

    • HS256使用同一个密钥进行签名和验证
    • RS256使用私钥签名，公钥验证

  2. 安全性：

    • HS256中，密钥需要在所有验证方之间共享，增加泄露风险
    • RS256中，只需共享公钥，私钥仅由签发方保管，更安全

  3. 性能：

    • HS256计算速度快
    • RS256计算速度相对较慢

  4. 适用场景：

    • HS256适用于单服务或信任度高的服务间通信
    • RS256适用于分布式系统、第三方集成等场景，特别是当验证方不应具有签名能力时

选择建议：对于分布式系统或需要与第三方集成的场景，优先选择RS256；对于性能要求高且信任度高的内部系统，可以选择HS256。

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贡献者: ldf
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