JWT与传统Token机制对比：实现安全高效的用户认证

    在现代Web应用程序中，用户认证是一个至关重要的环节。传统的Session机制虽然简单易用，但在分布式系统中却面临诸多挑战。相比之下，JSON Web Tokens（JWT）作为一种轻量级的认证机制，因其无需依赖服务器端存储用户状态的特点而受到广泛青睐。本文将深入探讨JWT的工作原理、优缺点以及在实际项目中的整合策略。

一、JWT简介

    JWT是一种开放标准（RFC 7519），它定义了一种自包含的凭证，用于在各方之间以安全的方式传输信息。JWT由三部分组成：Header（头部）、Payload（载荷）和Signature（签名）。

• Header：包含了令牌类型和签名算法的信息。例如：{ "alg":"HS256", "type","JWT"}

• Payload：是JWT的主题部分，包含了一系列声明（Claims）。声明是关于主体的信息，通常用来传输用户数据。例如：1{2 "userId": "1",3 "username": "mayikt"4}

• Signature：用于验证数据的完整性和确认JWT是否被篡改。它是通过将Header、Payload和一个密钥（Secret）按照指定算法计算得出的结果。这个密钥只能由服务端持有，并且用于验证JWT的有效性。

    其中，标准中注册的声明有
  

• iss: jwt签发者

• sub: jwt所面向的用户

• aud: 接收jwt的一方

• exp: jwt的过期时间，这个过期时间必须要大于签发时间

• nbf: 定义在什么时间之前，该jwt都是不可用的.

• iat: jwt的签发时间

• jti: jwt的唯一身份标识，主要用来作为一次性token,从而回避重放攻击。

二、JWT vs 传统Token

2.1 Session机制的局限性

    在传统的Web应用中，Session是最常用的用户状态管理方案。然而，随着微服务架构的兴起，Session机制面临着如下挑战：

• 集群环境下共享困难：在分布式系统中，由于Session数据通常存储在单台服务器上，导致其他节点无法访问到同一用户的Session信息，这限制了系统的横向扩展能力。

2.2 传统Token机制

    传统的Token机制通常指通过用户登录生成一个唯一的标识符（Token），并将此Token与用户ID关联后存储在Redis等缓存数据库中。客户端每次请求时都需要携带这个Token，服务器则通过查询Redis来验证Token的有效性。

    这种方式虽然解决了Session在分布式环境下的共享问题，但仍存在以下不足：

• 隐藏了数据的真实性：由于Token本身并不包含任何用户信息，因此服务器必须每次都查询数据库来获取用户详情。

2.3 JWT的优势

与上述两种方案相比，JWT具有以下明显优点：

1. 减轻服务器端压力：JWT将用户信息直接编码在Token内，无需每次请求都查询数据库。
2. 轻量级且易于解析：采用JSON格式，便于前后端之间的数据交换。
3. 跨语言支持：由于其基于标准的开放协议，可以在不同编程语言之间无缝集成。

三、JWT在项目中的应用

3.1 Maven依赖配置

    要在Spring Boot项目中使用JWT，直接引入相关依赖即可：

     <!--   jwt 依赖     -->
        <dependency>
            <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
            <artifactId>jjwt</artifactId>
            <version>0.9.1</version>
        </dependency>

    之后即可通过生成或解析token，示例如下：

//存入用户信息，生成token
// jwt的唯一身份标识，主要用来作为一次性token,从而回避重放攻击。
JwtBuilder jwtBuilder = Jwts.builder()
    .setId("8888")
    .setSubject("Rose")      // jwt所面向的用户
    .setIssuedAt(new Date())  //创建token的日期
    .signWith(SignatureAlgorithm.HS256,"abcde") //使用的算法，加密的盐值,盐值不能太短，否则报错
    .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis()+过期时间毫秒))  //设置token失效时间
            //可以通过claim方法自定义添加属性到token里面，使用key-value格式,
             // 也可以直接传入map，通过addClaims(map)实现
    .claim("name","admin")
    .claim("logo","xxx.jpg");

//使用jwts解析token
Claims body = Jwts.parser().setSigningKey("abcde") //预先设置的盐值
                                    .parseClaimsJws(token)//要解析的token，jws即签名后的jwt
                                    .getBody();    //获取信息
//通过body获取内部信息
String name = body.get("name")；

3.2 整合Spring Security

    为了更好地保护API接口，通常还会结合Spring Security框架来实现基于JWT的安全认证。此时，需要添加额外的依赖：

        <!--添加security提供的jwt包,使用security整合oauth2.0-->
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.security</groupId>
            <artifactId>spring-security-jwt</artifactId>
            <version>1.1.1.RELEASE</version>
        </dependency>

3.2.1 配置Token存储策略

    设置token存储策略，配置JwtTokenStoreConfig类，使用jwt存储token

/**
 * jwt配置类，
 * 1，设置token存储方式为jwt存储，并将TokenStore注入的spring容器
 *
 *,2，配置jwt生成token的返回实现类，JwtAccessTokenConverter，设置秘钥，返回JwtAccessTokenConverter对象，注入容器
 */
@Configuration
public class JwtTokenStoreConfig{

    /**
     *  设置token存储方式为jwt存储
     * @return
     */
    @Bean
    public TokenStore jwtTokenStore(){
        return new JwtTokenStore(jwtAccessTokenConverter());
    }

    //配置jwt生成token的返回实现类
    @Bean
    public JwtAccessTokenConverter jwtAccessTokenConverter(){
        JwtAccessTokenConverter converter = new JwtAccessTokenConverter();
        //配置jwt使用的秘钥
        converter.setSigningKey("test_key");
        return converter;
    }

    //将jwt内容增强器注入为bean
    @Bean
    public JwtTokenEnhancer jwtTokenEnhancer(){
        return new JwtTokenEnhancer();
    }
}

    其中，

JwtTokenEnhancer

类用于在JWT中添加自定义信息：

/**
 * jwt内容增强器，即通过该类可以在token当中添加自定义的属性
 *
 *
 */
public class JwtTokenEnhancer implements TokenEnhancer {
    @Override
    public OAuth2AccessToken enhance(OAuth2AccessToken oAuth2AccessToken, OAuth2Authentication oAuth2Authentication) {

        Map<String, Object> info = new HashMap<>();
        info.put("enhance","enhance info");
        //oAuth2AccessToken向上转型为DefaultOAuth2AccessToken，获取方法setAdditionalInformation，通过该方法添加内容到token
        ((DefaultOAuth2AccessToken)oAuth2AccessToken).setAdditionalInformation(info);
        return oAuth2AccessToken;
    }
}

3.2.2 客户端授权配置

    @Autowired
    private PasswordEncoder passwordEncoder;
    /**
     * 预先设置TokenStore（token存储方式）为jwt存储，并注入spring容器，redis存储无需配置token转换器
     * 此处需要配合@Qualifier注解使用name属性注入，因为TokenStore类型的实现类不止一个，type类型的注入无法识别应该注入哪一个bean
     */
    @Autowired
    @Qualifier("jwtTokenStore")
    private TokenStore tokenStore;

    //注入accessToken和JwtToken的相互转换的处理类
    @Autowired
    private JwtAccessTokenConverter jwtAccessTokenConverter;

    //自动注入jwt内容增强器
    @Autowired
    private JwtTokenEnhancer jwtTokenEnhancer;

    /**
     ** 密码模式需要重写该方法,并且需要提前把AuthenticationManager注入到spring容器
     */
     @Autowired
     private UserService userService;

     @Autowired
     private AuthenticationManager authenticationManager;

    @Override
    public void configure(AuthorizationServerEndpointsConfigurer endpoints) throws Exception {
        //配置jwt内容增强,即额外向token添加自定义属性
        TokenEnhancerChain tokenEnhancerChain = new TokenEnhancerChain();
        List<TokenEnhancer> delegates = new ArrayList<>() ;
        delegates.add(jwtTokenEnhancer);
        delegates.add(jwtAccessTokenConverter);
        tokenEnhancerChain.setTokenEnhancers(delegates);

        //使用用户手动授权，即开启密码模式
        endpoints.authenticationManager(authenticationManager)
                .userDetailsService(userService)
                //设置token存储方式，此处为jwt存储token
                .tokenStore(tokenStore)
                //使用jwtAccessTokenConverter生成token
                .accessTokenConverter(jwtAccessTokenConverter)
                //添加自定义token属性
                .tokenEnhancer(tokenEnhancerChain);

    }

四、最后

    JWT作为一种新兴的身份验证机制，以其独特的自包含特性解决了传统Session机制在分布式环境下的局限性。它不仅简化了开发流程，提高了系统性能，同时也为构建更加安全可靠的Web应用提供了有力支持。然而，JWT也有其固有的缺陷，比如一旦生成就无法修改等问题。因此，在实际应用中，开发者需根据具体场景灵活选择最合适的认证方案。