JWT 组件详解

译者注：本文译自 Fusion Auth Developer。JSON Web Token（通常缩写为 JWT）是一种通常与 OAuth2 等标准协议一起使用的令牌。本文解释了 JWT 的组成部分和工作原理。

在我们继续之前，重要的是要注意 JWT 通常被错误地称为 JWT Tokens。在末尾添加 Token 将会使其变成 JSON Web Token Token。因此，在本文中，我们省略末尾的 Token 并简单地称之为 JWT，因为这是更正确的名称。同样地，由于 JWT 通常用作身份验证和授权过程的一部分，一些人将其称为 Authentication Tokens 或 JWT Authentication Tokens。从技术上讲，JWT 只是一个包含 Base64 编码的 JSON 的令牌。它可以用于许多不同的用例，包括身份验证和授权。因此，在本文中，我们不使用这个术语，而是讨论如何在身份验证过程中使用 JWT。

让我们开始吧！这是一个新生成的 JWT。为清楚起见添加了换行符，但它们通常不存在。

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCIsImtpZCI6ImY1ODg5MGQxOSJ9.eyJhdWQiO
iI4NWEwMzg2Ny1kY2NmLTQ4ODItYWRkZS0xYTc5YWVlYzUwZGYiLCJleHAiOjE2NDQ4ODQ
xODUsImlhdCI6MTY0NDg4MDU4NSwiaXNzIjoiYWNtZS5jb20iLCJzdWIiOiIwMDAwMDAwM
C0wMDAwLTAwMDAtMDAwMC0wMDAwMDAwMDAwMDEiLCJqdGkiOiIzZGQ2NDM0ZC03OWE5LTR
kMTUtOThiNS03YjUxZGJiMmNkMzEiLCJhdXRoZW50aWNhdGlvblR5cGUiOiJQQVNTV09SR
CIsImVtYWlsIjoiYWRtaW5AZnVzaW9uYXV0aC5pbyIsImVtYWlsX3ZlcmlmaWVkIjp0cnV
lLCJhcHBsaWNhdGlvbklkIjoiODVhMDM4NjctZGNjZi00ODgyLWFkZGUtMWE3OWFlZWM1M
GRmIiwicm9sZXMiOlsiY2VvIl19.dee-Ke6RzR0G9avaLNRZf1GUCDfe8Zbk9L2c7yaqKME

这可能看起来像是一堆乱码，但随着您对 JWT 以及它们在 OAuth2 或身份验证过程中的使用方式了解得更多，它开始变得更有意义了。

有几种类型的 JSON Web 令牌，但我将重点介绍已签名的 JWT，因为它们是最常见的。签名的 JWT 也可以称为 JWS。它由三个部分组成，以句号分隔。

有一个标头，在上面的 JWT 中以eyJhbGc开头。然后有一个主体或有效载荷，上面以eyJhdWQ开头。最后有一个签名，在示例 JWT 中以dee-K开头。

JWT 如何工作？让我们拆开这个示例 JWT 并深入了解一下。

JWT 标头解释

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCIsImtpZCI6ImY1ODg5MGQxOSJ9是 JWT 的标头。JWT 标头包含有关 JWT 的元数据，包括密钥标识符、用于登录的算法和其他信息。

如果您通过 base64 解码器运行上述标头：

echo 'eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCIsImtpZCI6ImY1ODg5MGQxOSJ9'|base64 -d

你会看到这个 JSON：

{"alg":"HS256","typ":"JWT","kid":"f58890d19"}%

HS256表示 JWT 是使用对称算法签名的，特别是使用 SHA-256 的 HMAC。

算法列表和实现支持级别如下。

此表取自 RFC 7518。由于仅 HS256 需要符合规范，请查阅用于创建 JWT 的软件或库以获取有关受支持算法的详细信息。

其他元数据也存储在 JWT 的这一部分中。typ标头指示 JWT 的类型。在本例中，该值为JWT，但其他值均有效。例如，如果 JWT 符合 RFC 9068，它可能具有at+JWT指示它是访问令牌的值。

该kid值指示用于签署 JWT 的密钥。对于对称密钥，kid可用于在秘密保险库中查找值。对于非对称签名算法，此值让 JWT 的消费者查找与签署此 JWT 的私钥相对应的正确公钥。正确处理此值对于签名验证和 JWT 负载的完整性至关重要。

通常情况下，将标头值的大部分处理过程转移到库中。有许多优秀的开源 JWT 处理库。您应该了解这些库的价值，但可能不必实现实际处理。

JWT 令牌主体

有效载荷或主体是使 JWT 变得有趣的地方。此部分包含创建 JWT 以传输的数据。例如，如果 JWT 表示授权访问某些数据或功能的用户，则有效载荷包含用户数据，例如角色或其他授权信息。

这是来自示例 JWT 的有效负载：

eyJhdWQiOiI4NWEwMzg2Ny1kY2NmLTQ4ODItYWRkZS0xYTc5YWVlYzUwZGYiLCJleHAiOjE2NDQ4ODQxODUsImlhdCI6MTY0NDg4MDU4NSwiaXNzIjoiYWNtZS5jb20iLCJzdWIiOiIwMDAwMDAwMC0wMDAwLTAwMDAtMDAwMC0wMDAwMDAwMDAwMDEiLCJqdGkiOiIzZGQ2NDM0ZC03OWE5LTRkMTUtOThiNS03YjUxZGJiMmNkMzEiLCJhdXRoZW50aWNhdGlvblR5cGUiOiJQQVNTV09SRCIsImVtYWlsIjoiYWRtaW5AZnVzaW9uYXV0aC5pbyIsImVtYWlsX3ZlcmlmaWVkIjp0cnVlLCJhcHBsaWNhdGlvbklkIjoiODVhMDM4NjctZGNjZi00ODgyLWFkZGUtMWE3OWFlZWM1MGRmIiwicm9sZXMiOlsiY2VvIl19

如果您通过 base64 解码器运行示例负载：

echo 'eyJhdWQiOiI4NWEwMzg2Ny1kY2NmLTQ4ODItYWRkZS0xYTc5YWVlYzUwZGYiLCJleHAiOjE2NDQ4ODQxODUsImlhdCI6MTY0NDg4MDU4NSwiaXNzIjoiYWNtZS5jb20iLCJzdWIiOiIwMDAwMDAwMC0wMDAwLTAwMDAtMDAwMC0wMDAwMDAwMDAwMDEiLCJqdGkiOiIzZGQ2NDM0ZC03OWE5LTRkMTUtOThiNS03YjUxZGJiMmNkMzEiLCJhdXRoZW50aWNhdGlvblR5cGUiOiJQQVNTV09SRCIsImVtYWlsIjoiYWRtaW5AZnVzaW9uYXV0aC5pbyIsImVtYWlsX3ZlcmlmaWVkIjp0cnVlLCJhcHBsaWNhdGlvbklkIjoiODVhMDM4NjctZGNjZi00ODgyLWFkZGUtMWE3OWFlZWM1MGRmIiwicm9sZXMiOlsiY2VvIl19' |base64 -d

你会看到这个 JSON：

{
  "aud": "85a03867-dccf-4882-adde-1a79aeec50df",
  "exp": 1644884185,
  "iat": 1644880585,
  "iss": "acme.com",
  "sub": "00000000-0000-0000-0000-000000000001",
  "jti": "3dd6434d-79a9-4d15-98b5-7b51dbb2cd31",
  "authenticationType": "PASSWORD",
  "email": "[email protected]",
  "email_verified": true,
  "applicationId": "85a03867-dccf-4882-adde-1a79aeec50df",
  "roles": [
    "ceo"
  ]
}

请注意，创建签名 JWT 的算法可以删除 base64 填充，因此 JWT 末尾可能缺少符号。您可能需要将其添加回去才能解码 JWT 令牌。这取决于内容的长度。您可以在此处了解更多信息。

如上所述，负载是您的应用程序所关心的，所以让我们更仔细地看一下这个 JSON。对象的每个键都称为“声明”（Claim）。

一些声明是众所周知的，其含义由 IETF 等标准机构规定。您可以在此处查看此类声明的示例。这些包括示例令牌中的iss和aud声明。当它们出现在 JWT 的有效负载中时，这两者都具有定义的含义。

还有其他非标准声明，例如authenticationType。这些声明可能代表业务领域或自定义数据。例如，authenticationType是 FusionAuth 使用的专有声明，用于指示身份验证方法，例如密码、刷新令牌或通过无密码链接。

您可以向 JWT 添加您想要的任何声明，包括对 JWT 的下游消费者有用的数据。从roles声明中可以看出，声明不必是简单的 JSON 原语。它们可以是任何可以用 JSON 表示的数据结构。

声明验证

当代码与 JWT 一起出现时，它应该验证某些声明。至少，应检查这些声明：

• iss标识 JWT 的发行者。只要 JWT 的发行者和消费者就有效值达成一致，并且消费者验证声明与已知的良好值相匹配，这个字符串到底是什么并不重要（UUID、域名、URL 或其他内容）。
• aud标识令牌的受众，即谁应该使用它。可以是标量或数组值。同样，JWT 的发行者和消费者应该就可接受的特定值达成一致。
• nbf 和 exp。这些声明确定令牌有效的时间范围。如果您要发行令牌以供将来使用，则该声明可能很有用。应始终设置 exp 声明，即 JWT 不再有效的时间。与其他声明不同，它们具有定义的值格式：自 unix 纪元以来的秒数。

除了这些之外，还要验证业务领域特定的声明。例如，使用上述 JWT 的人可以在authenticationType未知值时拒绝访问。

避免将未使用的声明放入 JWT。虽然 JWT 的大小没有限制，但通常它们越大，签名和验证它们所需的 CPU 就越多，传输它们所需的时间也就越多。Benchmark 期望 JWT 了解性能特征。

声明和安全

拥有令牌的任何人都可以看到已签名 JWT 的声明。

正如您在上面看到的，要以明文形式查看声明，您只需要一个 base64 解码器，它可以在每个命令行和互联网上的任何地方使用。

因此，您不应将任何应该保密的内容放入 JWT 中。这包括：

• 私人信息，例如政府 ID
• 密码之类的秘密
• 任何会泄露信息的东西，比如整数 id

另一个安全问题与aud声明的验证有关。由于消费代码已经拥有令牌，验证aud声明是否多此一举？aud声明表明谁应该接收这个 JWT，但代码已经有了它。不，总是验证声明。

为什么？

想象一下您有两个不同 API 的场景。一个是创建和管理待办事项，另一个是计费 API，用于转账。这两个 API 都期望一些用户具有admin角色。然而，就可以采取的行动而言，该角色意味着截然不同的事情。

如果待办事项 API 和计费 API 均未验证是否为它们创建了任何给定的 JWT，则攻击者可以从具有该admin角色的待办事项 API 中获取 JWT，并将其呈现给计费 API。

这最多是一个错误，最坏的情况是特权升级，对银行账户产生负面影响。

JWT 签名

JWT 的签名很关键，因为它保证了负载和标头的完整性。验证签名必须是 JWT 的任何消费者执行的第一步。如果签名不匹配，则不应进行进一步处理。

虽然您可以阅读规范的相关部分以了解签名是如何生成的，但高级概述是：

• 标头变成了 base64 URL 编码的字符串
• 负载被转换为 base64 URL 编码的字符串
• 它们由. 连接
• 生成的字符串通过所选的加密算法运行，连同相应的密钥
• 签名是 base64 URL 编码的
• 编码后的签名以 . 作为分隔符附加到字符串

当收到 JWT 时，可以执行相同的操作。如果生成的签名正确，则 JWT 的内容与创建时没有变化。

JSON Web 令牌限制

在规范中，JSON Web Tokens 的长度没有硬性限制。实际上，考虑一下：

• 你打算在哪里存储 JWT
• 大型 JWT 的性能损失是什么

存储

JWT 可以在 HTTP 标头中发送，存储在 cookie 中，并放置在表单参数中。在这些场景中，存储决定了 JWT 的最大长度。

例如，浏览器中 cookie 的典型存储限制通常为 4096 字节，包括名称。HTTP 标头的限制因软件组件而异，但 8192 字节似乎是一个常见值。

请查阅相关规范或其他资源以了解特定用例的限制，但请放心，JWT 没有固有的大小限制。

性能影响

由于 JWT 可以包含许多不同类型的用户信息，因此开发人员可能会忍不住在其中放入太多信息。这会降低签名和验证步骤以及传输中的性能。

对于前者的示例，以下是签署和验证两个不同 JWT 的基准测试结果。每个操作进行了 50,000 次。

第一个 JWT 的正文长度约为 180 个字符；总编码令牌长度在 300 到 600 之间，具体取决于所使用的签名算法。

hmac sign
  1.632396   0.011794   1.644190 (  1.656177)
hmac verify
  2.452983   0.015723   2.468706 (  2.487930)
rsa sign
 28.409793   0.117695  28.527488 ( 28.697615)
rsa verify
  3.086154   0.011869   3.098023 (  3.109780)
ecc sign
  4.248960   0.017153   4.266113 (  4.285231)
ecc verify
  7.057758   0.027116   7.084874 (  7.113594)

下一个 JWT 负载大约有 1800 个字符，因此是前一个令牌大小的十倍。这具有 2400 到 2700 个字符的总令牌长度。

hmac sign
  3.356960   0.018175   3.375135 (  3.389963)
hmac verify
  4.283810   0.018320   4.302130 (  4.321095)
rsa sign
 32.703723   0.172346  32.876069 ( 33.072665)
rsa verify
  5.300321   0.027455   5.327776 (  5.358079)
ecc sign
  6.557596   0.032239   6.589835 (  6.624320)
ecc verify
  9.184033   0.035617   9.219650 (  9.259225)

您可以看到，对于较长的 JWT，总时间增加了，但通常不是线性的。所用时间的增加范围从 RSA 签名的大约 20% 到 HMAC 签名的大约 100%。

请注意传输更长的 JWT 所花费的额外时间；这可以用与任何其他 API 或 HTML 内容相同的方式进行测试和优化。

结论

已签名的 JWT 具有标头、正文和签名。每个都在确保 JWT 可用于安全地存储和传输关键信息（无论是否与身份有关）方面发挥着至关重要的身份验证作用。了解所有这三个组件对于正确使用 JWT 也至关重要。