干掉Session?这个跨域认证解决方案真的优雅

用户登录认证是 Web 应用中非常常见的一个业务,一般的流程是这样的:

  • 客户端向服务器端发送用户名和密码
  • 服务器端验证通过后,在当前会话(session)中保存相关数据,比如说登录时间、登录 IP 等。
  • 服务器端向客户端返回一个 session_id,客户端将其保存在 Cookie 中。
  • 客户端再向服务器端发起请求时,将 session_id 传回给服务器端。
  • 服务器端拿到 session_id 后,对用户的身份进行鉴定。

单机情况下,这种模式是没有任何问题的,但对于前后端分离的 Web 应用来说,就非常痛苦了。于是就有了另外一种解决方案,服务器端不再保存 session 数据,而是将其保存在客户端,客户端每次发起请求时再把这个数据发送给服务器端进行验证。JWT(JSON Web Token)就是这种方案的典型代表。

一、关于 JWT

JWT,是目前最流行的一个跨域认证解决方案:客户端发起用户登录请求,服务器端接收并认证成功后,生成一个 JSON 对象(如下所示),然后将其返回给客户端。

{
  "sub": "wanger",
  "created": 1645700436900,
  "exp": 1646305236
}

客户端再次与服务器端通信的时候,把这个 JSON 对象捎带上,作为前后端互相信任的一个凭证。服务器端接收到请求后,通过 JSON 对象对用户身份进行鉴定,这样就不再需要保存任何 session 数据了。

假如我现在使用用户名 wanger 和密码 123456 进行访问编程喵(Codingmore)的 login 接口,那么实际的 JWT 是一串看起来像是加过密的字符串。

为了让大家看的更清楚一点,我将其复制到了 jwt 的官网

左侧 Encoded 部分就是 JWT 密文,中间用「.」分割成了三部分(右侧 Decoded 部分):

  • Header(头部),描述 JWT 的元数据,其中 alg 属性表示签名的算法(当前为 HS512);
  • Payload(负载),用来存放实际需要传递的数据,其中 sub 属性表示主题(实际值为用户名),created 属性表示 JWT 产生的时间,exp 属性表示过期时间
  • Signature(签名),对前两部分的签名,防止数据篡改;这里需要服务器端指定一个密钥(只有服务器端才知道),不能泄露给客户端,然后使用 Header 中指定的签名算法,按照下面的公式产生签名:
HMACSHA512(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  your-256-bit-secret
)

算出签名后,再把 Header、Payload、Signature 拼接成一个字符串,中间用「.」分割,就可以返回给客户端了。

客户端拿到 JWT 后,可以放在 localStorage,也可以放在 Cookie 里面。

const TokenKey = '1D596CD8-8A20-4CEC-98DD-CDC12282D65C' // createUuid()

export function getToken () {
  return Cookies.get(TokenKey)
}

export function setToken (token) {
  return Cookies.set(TokenKey, token)
}

以后客户端再与服务器端通信的时候,就带上这个 JWT,一般放在 HTTP 的请求的头信息 Authorization 字段里。

Authorization: Bearer <token>

服务器端接收到请求后,再对 JWT 进行验证,如果验证通过就返回相应的资源。

二、实战 JWT

第一步,在 pom.xml 文件中添加 JWT 的依赖。

<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt</artifactId>
    <version>0.9.0</version>
</dependency>

第二步,在 application.yml 中添加 JWT 的配置项。

jwt:
  tokenHeader: Authorization #JWT存储的请求头
  secret: codingmore-admin-secret #JWT加解密使用的密钥
  expiration: 604800 #JWT的超期限时间(60*60*24*7)
  tokenHead: 'Bearer '  #JWT负载中拿到开头

第三步,新建 JwtTokenUtil.java 工具类,主要有三个方法:

  • generateToken(UserDetails userDetails):根据登录用户生成 token
  • getUserNameFromToken(String token):从 token 中获取登录用户
  • validateToken(String token, UserDetails userDetails):判断 token 是否仍然有效
public class JwtTokenUtil {

    @Value("${jwt.secret}")
    private String secret;
    @Value("${jwt.expiration}")
    private Long expiration;
    @Value("${jwt.tokenHead}")
    private String tokenHead;

    /**
     * 根据用户信息生成token
     */
    public String generateToken(UserDetails userDetails) {
        Map<String, Object> claims = new HashMap<>();
        claims.put(CLAIM_KEY_USERNAME, userDetails.getUsername());
        claims.put(CLAIM_KEY_CREATED, new Date());
        return generateToken(claims);
    }

    /**
     * 根据用户名、创建时间生成JWT的token
     */
    private String generateToken(Map<String, Object> claims) {
        return Jwts.builder()
                .setClaims(claims)
                .setExpiration(generateExpirationDate())
                .signWith(SignatureAlgorithm.HS512, secret)
                .compact();
    }

    /**
     * 从token中获取登录用户名
     */
    public String getUserNameFromToken(String token) {
        String username = null;
        Claims claims = getClaimsFromToken(token);
        if (claims != null) {
            username = claims.getSubject();
        }

        return username;
    }

    /**
     * 从token中获取JWT中的负载
     */
    private Claims getClaimsFromToken(String token) {
        Claims claims = null;
        try {
            claims = Jwts.parser()
                    .setSigningKey(secret)
                    .parseClaimsJws(token)
                    .getBody();
        } catch (Exception e) {
            LOGGER.info("JWT格式验证失败:{}", token);
        }
        return claims;
    }

    /**
     * 验证token是否还有效
     *
     * @param token       客户端传入的token
     * @param userDetails 从数据库中查询出来的用户信息
     */
    public boolean validateToken(String token, UserDetails userDetails) {
        String username = getUserNameFromToken(token);
        return username.equals(userDetails.getUsername()) && !isTokenExpired(token);
    }

    /**
     * 判断token是否已经失效
     */
    private boolean isTokenExpired(String token) {
        Date expiredDate = getExpiredDateFromToken(token);
        return expiredDate.before(new Date());
    }

    /**
     * 从token中获取过期时间
     */
    private Date getExpiredDateFromToken(String token) {
        Claims claims = getClaimsFromToken(token);
        return claims.getExpiration();
    }
}

第四步, 在 UsersController.java 中新增 login 登录接口,接收用户名和密码,并将 JWT 返回给客户端。

@Controller
@Api(tags="用户")
@RequestMapping("/users")
public class UsersController {
    @Autowired
    private IUsersService usersService;
    @Value("${jwt.tokenHeader}")
    private String tokenHeader;
    @Value("${jwt.tokenHead}")
    private String tokenHead;

    @ApiOperation(value = "登录以后返回token")
    @RequestMapping(value = "/login", method = RequestMethod.POST)
    @ResponseBody
    public ResultObject login(@Validated UsersLoginParam users, BindingResult result) {
        String token = usersService.login(users.getUserLogin(), users.getUserPass());

        if (token == null) {
            return ResultObject.validateFailed("用户名或密码错误");
        }

        // 将 JWT 传递回客户端
        Map<String, String> tokenMap = new HashMap<>();
        tokenMap.put("token", token);
        tokenMap.put("tokenHead", tokenHead);
        return ResultObject.success(tokenMap);
    }

}

第五步,在 UsersServiceImpl.java 中新增 login 方法,根据用户名从数据库中查询用户,密码验证通过后生成 JWT。

@Service
public class UsersServiceImpl extends ServiceImpl<UsersMapper, Users> implements IUsersService {

    @Autowired
    private PasswordEncoder passwordEncoder;
    @Autowired
    private JwtTokenUtil jwtTokenUtil;

    public String login(String username, String password) {
        String token = null;
        //密码需要客户端加密后传递
        try {
            // 查询用户+用户资源
            UserDetails userDetails = loadUserByUsername(username);

            // 验证密码
            if (!passwordEncoder.matches(password, userDetails.getPassword())) {
                Asserts.fail("密码不正确");
            }

            // 返回 JWT
            token = jwtTokenUtil.generateToken(userDetails);
        } catch (AuthenticationException e) {
            LOGGER.warn("登录异常:{}", e.getMessage());
        }
        return token;
    }
}

第六步,新增 JwtAuthenticationTokenFilter.java,每次客户端发起请求时对 JWT 进行验证。

public class JwtAuthenticationTokenFilter extends OncePerRequestFilter {
    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(JwtAuthenticationTokenFilter.class);
    @Autowired
    private UserDetailsService userDetailsService;
    @Autowired
    private JwtTokenUtil jwtTokenUtil;
    @Value("${jwt.tokenHeader}")
    private String tokenHeader;
    @Value("${jwt.tokenHead}")
    private String tokenHead;

    @Override
    protected void doFilterInternal(HttpServletRequest request,
                                    HttpServletResponse response,
                                    FilterChain chain) throws ServletException, IOException {
        // 从客户端请求中获取 JWT
        String authHeader = request.getHeader(this.tokenHeader);
        // 该 JWT 是我们规定的格式,以 tokenHead 开头
        if (authHeader != null && authHeader.startsWith(this.tokenHead)) {
            // The part after "Bearer "
            String authToken = authHeader.substring(this.tokenHead.length());
            // 从 JWT 中获取用户名
            String username = jwtTokenUtil.getUserNameFromToken(authToken);
            LOGGER.info("checking username:{}", username);

            // SecurityContextHolder 是 SpringSecurity 的一个工具类
            // 保存应用程序中当前使用人的安全上下文
            if (username != null && SecurityContextHolder.getContext().getAuthentication() == null) {
                // 根据用户名获取登录用户信息
                UserDetails userDetails = this.userDetailsService.loadUserByUsername(username);
                // 验证 token 是否过期
                if (jwtTokenUtil.validateToken(authToken, userDetails)) {
                    // 将登录用户保存到安全上下文中
                    UsernamePasswordAuthenticationToken authentication = new UsernamePasswordAuthenticationToken(userDetails,
                            null, userDetails.getAuthorities());
                    authentication.setDetails(new WebAuthenticationDetailsSource().buildDetails(request));
                    SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(authentication);

                    LOGGER.info("authenticated user:{}", username);
                }
            }
        }
        chain.doFilter(request, response);
    }
}

JwtAuthenticationTokenFilter 继承了 OncePerRequestFilter,该过滤器能确保一次请求只通过一次 filter,而不需要重复执行。也就是说,客户端每发起一次请求,该过滤器就会执行一次。

这个过滤器非常关键啊,基本上每行代码我都添加了注释,当然了,为了确保大家都能搞清楚这个类到底做了什么,我再来画一幅流程图,这样就一清二楚了。

SpringSecurity 是一个安全管理框架,可以和 Spring Boot 应用无缝衔接,SecurityContextHolder 是其中非常关键的一个工具类,持有安全上下文信息,里面保存有当前操作的用户是谁,用户是否已经被认证,用户拥有的权限等关键信息。

SecurityContextHolder 默认使用了 ThreadLocal 策略来存储认证信息,ThreadLocal 的特点是存在它里边的数据,哪个线程存的,哪个线程才能访问到。这就意味着不同的请求进入到服务器端后,会由不同的 Thread 去处理,例如线程 A 将请求 1 的用户信息存入了 ThreadLocal,线程 B 在处理请求 2 的时候是无法获取到用户信息的。

所以说 JwtAuthenticationTokenFilter 过滤器会在每次请求过来的时候进行一遍 JWT 的验证,确保客户端过来的请求是安全的。然后 SpringSecurity 才会对接下来的请求接口放行。这也是 JWT 和 Session 的根本区别:

  • JWT 需要每次请求的时候验证一次,并且只要 JWT 没有过期,哪怕服务器端重启了,认证仍然有效。
  • Session 在没有过期的情况下是不需要重新对用户信息进行验证的,当服务器端重启后,用户需要重新登录获取新的 Session。

也就是说,在 JWT 的方案下,服务器端保存的密钥(secret)一定不能泄露,否则客户端就可以根据签名算法伪造用户的认证信息了

三、Swagger 中添加 JWT 验证

对于后端开发人员来说,如何在 Swagger(整合了 Knife4j 进行美化) 中添加 JWT 验证呢?

第一步,访问 login 接口,输入用户名和密码进行登录,获取服务器端返回的 JWT。

第二步,收集服务器端返回的 tokenHead 和 token,将其填入 Authorize(注意 tokenHead 和 token 之间有一个空格)完成登录认证。

第三步,再次请求其他接口时,Swagger 会自动将 Authorization 作为请求头信息发送到服务器端。

第四步,服务器端接收到该请求后,会通过 JwtAuthenticationTokenFilter 过滤器对 JWT 进行校验。

到此为止,整个流程全部打通了,完美!

四、总结

综上来看,用 JWT 来解决前后端分离项目中的跨域认证还是非常丝滑的,这主要得益于 JSON 的通用性,可以跨语言,JavaScript 和 Java 都支持;另外,JWT 的组成非常简单,非常便于传输;还有 JWT 不需要在服务器端保存会话信息(Session),非常易于扩展。

当然了,为了保证 JWT 的安全性,不要在 JWT 中保存敏感信息,因为一旦私钥泄露,JWT 是很容易在客户端被解密的;如果可以,请使用 HTTPS 协议。

参考链接:

阮一峰:https://www.ruanyifeng.com/blog/2018/07/json_web_token-tutorial.html

春夏秋冬过:https://segmentfault.com/a/1190000012557493

江南一点雨:https://cloud.tencent.com/developer/article/1612175

Dearmadman:https://www.jianshu.com/p/576dbf44b2ae

mcarozheng:http://www.macrozheng.com/

源码路径:

https://github.com/itwanger/coding-more


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没有什么使我停留——除了目的,纵然岸旁有玫瑰、有绿荫、有宁静的港湾,我是不系之舟

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